]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
* Add functions sub_matrix() and reduced_matrix().
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2005 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
485 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
486 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
487 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
488 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
489 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
490 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
491 it will refuse to continue.
492
493
494 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
495 @c    node-name, next, previous, up
496 @section Configuration
497 @cindex configuration
498 @cindex Autoconf
499
500 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
501 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
502 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
503 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
504 prompts, all customization must be done either via command line
505 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
506 the complete set of which can be listed by calling it with the
507 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
508 described in what follows:
509
510 @itemize @bullet
511
512 @item
513 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
514 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
515 when developing because it considerably speeds up compilation.
516
517 @item
518 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
519 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
520 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
521 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
522 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
523
524 @item
525 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
526 the library installed in some other directory than
527 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
528
529 @item
530 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
531 to have the header files installed in some other directory than
532 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
533 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
534 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
535 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
536 keep the header files separated from others.  This avoids some
537 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
538 to be considered A Good Thing (tm).
539
540 @item
541 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
542 want to have the documentation installed in some other directory than
543 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
544
545 @end itemize
546
547 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
548 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
549 override the default in your path.  (The @command{configure} script
550 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
551 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
552 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
553 environment variable, like optimization, debugging information and
554 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
555 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
556 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
557 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
558 must generate @command{configure} along with the various
559 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
560 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
561
562 The whole process is illustrated in the following two
563 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
564 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
565 your login shell.)
566
567 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
568 everything is in default paths:
569
570 @example
571 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
572 $ ./configure
573 @end example
574
575 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
576 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
577 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
578 debugging information are switched on:
579
580 @example
581 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
582 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
583 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
584 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
585 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
586 @end example
587
588
589 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
590 @c    node-name, next, previous, up
591 @section Building GiNaC
592 @cindex building GiNaC
593
594 After proper configuration you should just build the whole
595 library by typing
596 @example
597 $ make
598 @end example
599 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
600 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
601 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
602 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
603
604 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
605 regression tests by typing
606
607 @example
608 $ make check
609 @end example
610
611 This will compile some sample programs, run them and check the output
612 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
613 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
614 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
615 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
616 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
617 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
618 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
619 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
620 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
621 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
622 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
623 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
624 to fiddle around with optimization.
625
626 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
627 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
628 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
629
630 @example
631 $ make html
632 $ make dvi
633 $ make ps
634 $ make pdf
635 @end example
636
637 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
638 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
639 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
640 @var{target} there in case something went wrong.
641
642
643 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
644 @c    node-name, next, previous, up
645 @section Installing GiNaC
646 @cindex installation
647
648 To install GiNaC on your system, simply type
649
650 @example
651 $ make install
652 @end example
653
654 As described in the section about configuration the files will be
655 installed in the following directories (the directories will be created
656 if they don't already exist):
657
658 @itemize @bullet
659
660 @item
661 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
662 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
663 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
664 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
665 will be established as well.
666
667 @item
668 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
669 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
670
671 @item
672 All documentation (info) will be stuffed into
673 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
674 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
675
676 @end itemize
677
678 For the sake of completeness we will list some other useful make
679 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
680 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
681 distclean} removes all files generated by the configuration and
682 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
683 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
684 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
685 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
686 work after you have called @command{make distclean} since the
687 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
688 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
689 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
690 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
691 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
692 do it by hand since you now know where all the files went during
693 installation.}.
694
695
696 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
697 @c    node-name, next, previous, up
698 @chapter Basic Concepts
699
700 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
701 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
702 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
703 meta-class for storing all mathematical objects.
704
705 @menu
706 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
707 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
708 * Error handling::               How the library reports errors.
709 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
710 * Symbols::                      Symbolic objects.
711 * Numbers::                      Numerical objects.
712 * Constants::                    Pre-defined constants.
713 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
714 * Lists::                        Lists of expressions.
715 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
716 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
717 * Integrals::                    Symbolic integrals.
718 * Matrices::                     Matrices.
719 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
720 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
721 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
722 @end menu
723
724
725 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
726 @c    node-name, next, previous, up
727 @section Expressions
728 @cindex expression (class @code{ex})
729 @cindex @code{has()}
730
731 The most common class of objects a user deals with is the expression
732 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
733 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
734 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
735 little collection of valid expressions:
736
737 @example
738 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
739 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
740 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
741 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
742 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
743 @end example
744
745 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
746 contain other expressions thus creating a tree of expressions
747 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
748 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
749 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
750 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
751 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
752 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
753
754 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
755 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
756 @code{ex}.
757
758 @subsection Note: Expressions and STL containers
759
760 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
761 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
762 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
763 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
764
765 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
766 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
767 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
768 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
769 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
770
771 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
772 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
773
774 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
775 expressions.
776
777
778 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
779 @c    node-name, next, previous, up
780 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
781 @cindex evaluation
782
783 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
784 them and put them into a canonical form. Some examples:
785
786 @example
787 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
788 ex MyEx2 = x - x;        // 0
789 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
790 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
791 @end example
792
793 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
794 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
795
796 @itemize @bullet
797 @item
798 at most of complexity
799 @tex
800 $O(n\log n)$
801 @end tex
802 @ifnottex
803 @math{O(n log n)}
804 @end ifnottex
805 @item
806 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
807 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
808 @end itemize
809
810 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
811 behave in an entirely obvious way at first glance:
812
813 @itemize
814 @item
815 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
816 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
817 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
818 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
819 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
820 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
821 canonical form.
822 @item
823 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
824 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
825 example
826 @example
827 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
828 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
829 @end example
830 @end itemize
831
832 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
833 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
834 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
835 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
836 some immediate simplifications.
837
838 @cindex @code{eval()}
839 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
840
841 @example
842 ex ex::eval(int level = 0) const;
843 ex basic::eval(int level = 0) const;
844 @end example
845
846 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
847 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
848 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
849 re-evaluate their results.
850
851
852 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
853 @c    node-name, next, previous, up
854 @section Error handling
855 @cindex exceptions
856 @cindex @code{pole_error} (class)
857
858 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
859 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
860 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
861 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
862 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
863 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
864 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
865 at a singularity.
866
867 The @code{pole_error} class has a member function
868
869 @example
870 int pole_error::degree() const;
871 @end example
872
873 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
874 logarithmic or the order is undefined).
875
876 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
877 the main program even if you don't want to do any special error handling.
878 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
879 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
880 usually only aborts the program without giving any information what went
881 wrong.
882
883 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
884 exceptions generated by GiNaC:
885
886 @example
887 #include <iostream>
888 #include <stdexcept>
889 #include <ginac/ginac.h>
890 using namespace std;
891 using namespace GiNaC;
892
893 int main()
894 @{
895     try @{
896         ...
897         // code using GiNaC
898         ...
899     @} catch (exception &p) @{
900         cerr << p.what() << endl;
901         return 1;
902     @}
903     return 0;
904 @}
905 @end example
906
907
908 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
909 @c    node-name, next, previous, up
910 @section The Class Hierarchy
911
912 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
913 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
914 helpers) are internally derived from one abstract base class called
915 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
916 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
917 containers of expressions and so on.
918
919 @cindex container
920 @cindex atom
921 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
922 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
923 some of the relations among the classes:
924
925 @image{classhierarchy}
926
927 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
928 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
929 duplication if two or more classes derived from them share certain
930 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
931 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
932 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
933 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
934 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
935 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
936 are stored in the different classes:
937
938 @cartouche
939 @multitable @columnfractions .22 .78
940 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
941 @item @code{constant} @tab Constants like 
942 @tex
943 $\pi$
944 @end tex
945 @ifnottex
946 @math{Pi}
947 @end ifnottex
948 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
949 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
950 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
951 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
952 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
953 @tex
954 $\sqrt{2}$
955 @end tex
956 @ifnottex
957 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
958 @end ifnottex
959 @dots{}
960 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
961 @item @code{function} @tab A symbolic function like
962 @tex
963 $\sin 2x$
964 @end tex
965 @ifnottex
966 @math{sin(2*x)}
967 @end ifnottex
968 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
969 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
970 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
971 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
972 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
973 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
974 @item @code{varidx} @tab Index with variance
975 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
976 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
977 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
978 @end multitable
979 @end cartouche
980
981
982 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
983 @c    node-name, next, previous, up
984 @section Symbols
985 @cindex @code{symbol} (class)
986 @cindex hierarchy of classes
987
988 @cindex atom
989 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
990 manipulation what atoms are for chemistry.
991
992 A typical symbol definition looks like this:
993 @example
994 symbol x("x");
995 @end example
996
997 This definition actually contains three very different things:
998 @itemize
999 @item a C++ variable named @code{x}
1000 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1001   represents the symbol in a GiNaC expression
1002 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1003   exclusively for printing expressions holding the symbol
1004 @end itemize
1005
1006 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1007 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1008 throws them away during compilation.
1009
1010 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1011 @example
1012 symbol x;
1013 @end example
1014
1015 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1016 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1017 the output of your calculations will become more readable if you give your
1018 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1019 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1020
1021 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1022 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1023 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1024 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1025 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1026 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1027 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1028 indeterminate.
1029
1030 Observe:
1031 @example
1032 ex f(int n)
1033 @{
1034     symbol x("x");
1035     return pow(x, n);
1036 @}
1037
1038 int main()
1039 @{
1040     symbol x("x");
1041     ex e = f(6);
1042
1043     cout << e << endl;
1044      // prints "x^6" which looks right, but...
1045
1046     cout << e.degree(x) << endl;
1047      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1048      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1049      // prints "0".
1050 @}
1051 @end example
1052
1053 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1054 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1055 @example
1056 ex f(int n, const ex & x)
1057 @{
1058     return pow(x, n);
1059 @}
1060
1061 int main()
1062 @{
1063     symbol x("x");
1064
1065     // Now, f() uses the same symbol.
1066     ex e = f(6, x);
1067
1068     cout << e.degree(x) << endl;
1069      // prints "6", as expected
1070 @}
1071 @end example
1072
1073 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1074 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1075 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1076 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1077 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1078 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1079 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1080 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1081 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1082 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1083 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1084
1085 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1086 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1087 like this one:
1088 @example
1089 const symbol & get_symbol(const string & s)
1090 @{
1091     static map<string, symbol> directory;
1092     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1093     if (i != directory.end())
1094         return i->second;
1095     else
1096         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1097 @}
1098 @end example
1099
1100 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1101 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1102 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1103 this:
1104 @example
1105 ex f(int n)
1106 @{
1107     return pow(get_symbol("x"), n);
1108 @}
1109
1110 int main()
1111 @{
1112     ex e = f(6);
1113
1114     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1115     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1116      // prints "6"
1117 @}
1118 @end example
1119
1120 Instead of creating symbols from strings we could also have
1121 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1122 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1123 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1124 @code{ostringstream}.
1125
1126 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1127 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1128 definitions.
1129
1130 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1131 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1132 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1133 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1134
1135 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1136 in LaTeX output:
1137 @example
1138 symbol x("x", "\\Box");
1139 @end example
1140
1141 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1142 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1143 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1144 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1145 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1146
1147 @cindex @code{subs()}
1148 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1149 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1150 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1151 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1152 (@pxref{Substituting Expressions}).
1153
1154 @cindex @code{realsymbol()}
1155 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1156 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1157 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1158 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1159 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1160 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1161 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1162 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1163 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1164
1165
1166 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1167 @c    node-name, next, previous, up
1168 @section Numbers
1169 @cindex @code{numeric} (class)
1170
1171 @cindex GMP
1172 @cindex CLN
1173 @cindex rational
1174 @cindex fraction
1175 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1176 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1177 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1178 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1179 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1180 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1181 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1182 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1183 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1184 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1185 several useful things: First, it introduces the complex number field
1186 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1187 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1188 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1189 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1190 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1191 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1192 calculation of some useful constants.
1193
1194 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1195 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1196 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1197 integers, construction from C-float and construction from a string:
1198
1199 @example
1200 #include <iostream>
1201 #include <ginac/ginac.h>
1202 using namespace GiNaC;
1203
1204 int main()
1205 @{
1206     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1207     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1208     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1209     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1210     // Trott's constant in scientific notation:
1211     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1212     
1213     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1214     ...
1215 @end example
1216
1217 @cindex @code{I}
1218 @cindex complex numbers
1219 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1220 name @code{I}:
1221
1222 @example
1223     ...
1224     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1225     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1226 @}
1227 @end example
1228
1229 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1230 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1231 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1232 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1233 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1234 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1235 also.
1236
1237 @cindex @code{Digits}
1238 @cindex accuracy
1239 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1240 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1241 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1242 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1243 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1244 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1245 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1246 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1247 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1248 digits:
1249
1250 @example
1251 #include <iostream>
1252 #include <ginac/ginac.h>
1253 using namespace std;
1254 using namespace GiNaC;
1255
1256 void foo()
1257 @{
1258     numeric three(3.0), one(1.0);
1259     numeric x = one/three;
1260
1261     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1262     cout << x << endl;
1263     cout << Pi.evalf() << endl;
1264 @}
1265
1266 int main()
1267 @{
1268     foo();
1269     Digits = 60;
1270     foo();
1271     return 0;
1272 @}
1273 @end example
1274
1275 The above example prints the following output to screen:
1276
1277 @example
1278 in 17 digits:
1279 0.33333333333333333334
1280 3.1415926535897932385
1281 in 60 digits:
1282 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1283 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1284 @end example
1285
1286 @cindex rounding
1287 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1288 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1289 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1290 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1291 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1292 architectures with different word size, the above output might even
1293 differ with regard to actually computed digits.
1294
1295 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1296 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1297 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1298
1299 @subsection Tests on numbers
1300
1301 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1302 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1303 kind of information from them like asking whether that number is
1304 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1305 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1306 certain CLN functions.)
1307
1308 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1309 some multiple of its denominator and test what comes out:
1310
1311 @example
1312 #include <iostream>
1313 #include <ginac/ginac.h>
1314 using namespace std;
1315 using namespace GiNaC;
1316
1317 // some very important constants:
1318 const numeric twentyone(21);
1319 const numeric ten(10);
1320 const numeric five(5);
1321
1322 int main()
1323 @{
1324     numeric answer = twentyone;
1325
1326     answer /= five;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1328     answer *= ten;
1329     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1330 @}
1331 @end example
1332
1333 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1334 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1335 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1336 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1337 the result is automatically converted to a pure integer again.
1338 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1339 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1340 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1341 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1342 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1343 can be applied is listed in the following table.
1344
1345 @cartouche
1346 @multitable @columnfractions .30 .70
1347 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1348 @item @code{.is_zero()}
1349 @tab @dots{}equal to zero
1350 @item @code{.is_positive()}
1351 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1352 @item @code{.is_integer()}
1353 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1354 @item @code{.is_pos_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1356 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1357 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1358 @item @code{.is_even()}
1359 @tab @dots{}an even integer
1360 @item @code{.is_odd()}
1361 @tab @dots{}an odd integer
1362 @item @code{.is_prime()}
1363 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1364 @item @code{.is_rational()}
1365 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1366 @item @code{.is_real()}
1367 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1368 @item @code{.is_cinteger()}
1369 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1370 @item @code{.is_crational()}
1371 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1372 @end multitable
1373 @end cartouche
1374
1375 @subsection Numeric functions
1376
1377 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1378 evaluated immediately:
1379
1380 @cartouche
1381 @multitable @columnfractions .30 .70
1382 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1383 @item @code{inverse(z)}
1384 @tab returns @math{1/z}
1385 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1386 @item @code{pow(a, b)}
1387 @tab exponentiation @math{a^b}
1388 @item @code{abs(z)}
1389 @tab absolute value
1390 @item @code{real(z)}
1391 @tab real part
1392 @cindex @code{real()}
1393 @item @code{imag(z)}
1394 @tab imaginary part
1395 @cindex @code{imag()}
1396 @item @code{csgn(z)}
1397 @tab complex sign (returns an @code{int})
1398 @item @code{numer(z)}
1399 @tab numerator of rational or complex rational number
1400 @item @code{denom(z)}
1401 @tab denominator of rational or complex rational number
1402 @item @code{sqrt(z)}
1403 @tab square root
1404 @item @code{isqrt(n)}
1405 @tab integer square root
1406 @cindex @code{isqrt()}
1407 @item @code{sin(z)}
1408 @tab sine
1409 @item @code{cos(z)}
1410 @tab cosine
1411 @item @code{tan(z)}
1412 @tab tangent
1413 @item @code{asin(z)}
1414 @tab inverse sine
1415 @item @code{acos(z)}
1416 @tab inverse cosine
1417 @item @code{atan(z)}
1418 @tab inverse tangent
1419 @item @code{atan(y, x)}
1420 @tab inverse tangent with two arguments
1421 @item @code{sinh(z)}
1422 @tab hyperbolic sine
1423 @item @code{cosh(z)}
1424 @tab hyperbolic cosine
1425 @item @code{tanh(z)}
1426 @tab hyperbolic tangent
1427 @item @code{asinh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic sine
1429 @item @code{acosh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic cosine
1431 @item @code{atanh(z)}
1432 @tab inverse hyperbolic tangent
1433 @item @code{exp(z)}
1434 @tab exponential function
1435 @item @code{log(z)}
1436 @tab natural logarithm
1437 @item @code{Li2(z)}
1438 @tab dilogarithm
1439 @item @code{zeta(z)}
1440 @tab Riemann's zeta function
1441 @item @code{tgamma(z)}
1442 @tab gamma function
1443 @item @code{lgamma(z)}
1444 @tab logarithm of gamma function
1445 @item @code{psi(z)}
1446 @tab psi (digamma) function
1447 @item @code{psi(n, z)}
1448 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1449 @item @code{factorial(n)}
1450 @tab factorial function @math{n!}
1451 @item @code{doublefactorial(n)}
1452 @tab double factorial function @math{n!!}
1453 @cindex @code{doublefactorial()}
1454 @item @code{binomial(n, k)}
1455 @tab binomial coefficients
1456 @item @code{bernoulli(n)}
1457 @tab Bernoulli numbers
1458 @cindex @code{bernoulli()}
1459 @item @code{fibonacci(n)}
1460 @tab Fibonacci numbers
1461 @cindex @code{fibonacci()}
1462 @item @code{mod(a, b)}
1463 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1464 @cindex @code{mod()}
1465 @item @code{smod(a, b)}
1466 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1467 @cindex @code{smod()}
1468 @item @code{irem(a, b)}
1469 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1470 @cindex @code{irem()}
1471 @item @code{irem(a, b, q)}
1472 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1473 @item @code{iquo(a, b)}
1474 @tab integer quotient
1475 @cindex @code{iquo()}
1476 @item @code{iquo(a, b, r)}
1477 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1478 @item @code{gcd(a, b)}
1479 @tab greatest common divisor
1480 @item @code{lcm(a, b)}
1481 @tab least common multiple
1482 @end multitable
1483 @end cartouche
1484
1485 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1486 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1487 as polynomial algorithms.
1488
1489 @subsection Converting numbers
1490
1491 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1492 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1493 class provides a couple of methods for this purpose:
1494
1495 @cindex @code{to_int()}
1496 @cindex @code{to_long()}
1497 @cindex @code{to_double()}
1498 @cindex @code{to_cl_N()}
1499 @example
1500 int numeric::to_int() const;
1501 long numeric::to_long() const;
1502 double numeric::to_double() const;
1503 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1504 @end example
1505
1506 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1507 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1508 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1509 rational number will return a floating-point approximation. Both
1510 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1511 part of complex numbers.
1512
1513
1514 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1515 @c    node-name, next, previous, up
1516 @section Constants
1517 @cindex @code{constant} (class)
1518
1519 @cindex @code{Pi}
1520 @cindex @code{Catalan}
1521 @cindex @code{Euler}
1522 @cindex @code{evalf()}
1523 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1524 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1525
1526 The predefined known constants are:
1527
1528 @cartouche
1529 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1530 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1531 @item @code{Pi}
1532 @tab Archimedes' constant
1533 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1534 @item @code{Catalan}
1535 @tab Catalan's constant
1536 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1537 @item @code{Euler}
1538 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1539 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1540 @end multitable
1541 @end cartouche
1542
1543
1544 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1545 @c    node-name, next, previous, up
1546 @section Sums, products and powers
1547 @cindex polynomial
1548 @cindex @code{add}
1549 @cindex @code{mul}
1550 @cindex @code{power}
1551
1552 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1553 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1554 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1555 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1556 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1557 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1558 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1559 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1560
1561 @example
1562     ...
1563     symbol a("a"), b("b");
1564     ex MyTerm = 1+a*b;
1565     ...
1566 @end example
1567
1568 @cindex @code{pow()}
1569 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1570 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1571 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1572 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1573 have several counterintuitive and undesired effects:
1574
1575 @itemize @bullet
1576 @item
1577 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1578 @item
1579 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1580 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1581 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1582 @item
1583 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1584 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1585 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1586 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1587 has requested @code{2^3}.)
1588 @end itemize
1589
1590 @cindex @command{ginsh}
1591 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1592 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1593 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1594 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1595 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1596 not exist at all in C++).
1597
1598 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1599 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1600 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1601 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1602 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1603 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1604 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1605 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1606 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1607 @code{x} negative.
1608
1609 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1610 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1611 and safe simplifications are carried out like transforming
1612 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1613
1614
1615 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1616 @c    node-name, next, previous, up
1617 @section Lists of expressions
1618 @cindex @code{lst} (class)
1619 @cindex lists
1620 @cindex @code{nops()}
1621 @cindex @code{op()}
1622 @cindex @code{append()}
1623 @cindex @code{prepend()}
1624 @cindex @code{remove_first()}
1625 @cindex @code{remove_last()}
1626 @cindex @code{remove_all()}
1627
1628 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1629 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1630 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1631 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1632 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1633
1634 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1635 expressions:
1636
1637 @example
1638 @{
1639     symbol x("x"), y("y");
1640     lst l;
1641     l = x, 2, y, x+y;
1642     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1643     // in that order
1644     ...
1645 @end example
1646
1647 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1648 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1649
1650 @example
1651     ...
1652     // This produces the same list 'l' as above:
1653     // lst l(x, 2, y, x+y);
1654     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1655     ...
1656 @end example
1657
1658 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1659 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1660 individual elements:
1661
1662 @example
1663     ...
1664     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1665     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1666     ...
1667 @end example
1668
1669 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1670 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1671 sequential access to the elements of a list is possible with the
1672 iterator types provided by the @code{lst} class:
1673
1674 @example
1675 typedef ... lst::const_iterator;
1676 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1677 lst::const_iterator lst::begin() const;
1678 lst::const_iterator lst::end() const;
1679 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1680 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1681 @end example
1682
1683 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // O(N)
1688     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1689         cout << *i << endl;
1690     ...
1691 @end example
1692
1693 which is one order faster than
1694
1695 @example
1696     ...
1697     // O(N^2)
1698     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1699         cout << l.op(i) << endl;
1700     ...
1701 @end example
1702
1703 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1704 the C++ standard library:
1705
1706 @example
1707     ...
1708     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1709     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1710
1711     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1712     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1713     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1714     ...
1715 @end example
1716
1717 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1718 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1719
1720 @example
1721     ...
1722     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1723     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1724     ...
1725 @end example
1726
1727 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1728 and @code{prepend()} methods:
1729
1730 @example
1731     ...
1732     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1733     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1738 and @code{remove_last()}:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1743     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1748
1749 @example
1750     ...
1751     l.remove_all();     // l is now empty
1752     ...
1753 @end example
1754
1755 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1756
1757 @example
1758     ...
1759     lst l1, l2;
1760     l1 = x, 2, y, x+y;
1761     l2 = 2, x+y, x, y;
1762     l1.sort();
1763     l2.sort();
1764     // l1 and l2 are now equal
1765     ...
1766 @end example
1767
1768 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1769 elements with @code{unique()}:
1770
1771 @example
1772     ...
1773     lst l3;
1774     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1775     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1776 @}
1777 @end example
1778
1779
1780 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1781 @c    node-name, next, previous, up
1782 @section Mathematical functions
1783 @cindex @code{function} (class)
1784 @cindex trigonometric function
1785 @cindex hyperbolic function
1786
1787 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1788 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1789 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1790
1791 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1792 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1793 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1794 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1795 the next example, showing how a function returns itself twice and
1796 finally an expression that may be really useful:
1797
1798 @cindex Gamma function
1799 @cindex @code{subs()}
1800 @example
1801     ...
1802     symbol x("x"), y("y");    
1803     ex foo = x+y/2;
1804     cout << tgamma(foo) << endl;
1805      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1806     ex bar = foo.subs(y==1);
1807     cout << tgamma(bar) << endl;
1808      // -> tgamma(x+1/2)
1809     ex foobar = bar.subs(x==7);
1810     cout << tgamma(foobar) << endl;
1811      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1812     ...
1813 @end example
1814
1815 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1816 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1817 this.
1818
1819 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1820 functions, where the argument list is templated.  This means that
1821 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1822 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1823 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1824 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1825 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1826 point number of class @code{numeric} you should call
1827 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1828 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1829 wrapped inside an @code{ex}.
1830
1831
1832 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1833 @c    node-name, next, previous, up
1834 @section Relations
1835 @cindex @code{relational} (class)
1836
1837 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1838 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1839 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1840 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1841 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1842 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1843
1844 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1845 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1846 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1847 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1848 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1849 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1850 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1851 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1852 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1853 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1854 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1855 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1856 @code{expand()} must be called explicitly.
1857
1858 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1859 @c    node-name, next, previous, up
1860 @section Integrals
1861 @cindex @code{integral} (class)
1862
1863 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1864 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1865 1, you would write this as
1866 @example
1867 integral(x, 0, 1, x*x)
1868 @end example
1869 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1870 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1871 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1872 can be evaluated symbolically by calling the
1873 @example
1874 .eval_integ()
1875 @end example
1876 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1877 @example
1878 .evalf()
1879 @end example
1880 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1881 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1882 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1883 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1884 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1885 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1886 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1887 integrals is determined by the static member variable
1888 @example
1889 ex integral::relative_integration_error
1890 @end example
1891 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1892 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1893 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1894 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1895 variable
1896 @example
1897 int integral::max_integration_level
1898 @end example
1899 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1900 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1901 evaluation, is also available as
1902 @example
1903 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1904 const ex & error)
1905 @end example
1906 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1907 last parameter of the function is optional and defaults to the
1908 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1909 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1910 a lookup table is used.
1911
1912 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1913 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1914 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1915 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1916 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1917 with respect to the integration variable.
1918
1919 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1920 @c    node-name, next, previous, up
1921 @section Matrices
1922 @cindex @code{matrix} (class)
1923
1924 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1925 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1926 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1927 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1928
1929 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1930 elements. The constructor
1931
1932 @example
1933 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1934 @end example
1935
1936 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1937 set to zero.
1938
1939 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1940 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1941 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1942
1943 @example
1944 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1945 @end example
1946
1947 The function
1948
1949 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1950 @example
1951 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1952 @end example
1953
1954 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1955
1956 There is also a set of functions for creating some special types of
1957 matrices:
1958
1959 @cindex @code{diag_matrix()}
1960 @cindex @code{unit_matrix()}
1961 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1962 @example
1963 ex diag_matrix(const lst & l);
1964 ex unit_matrix(unsigned x);
1965 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1966 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1967 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1968                    const string & tex_base_name);
1969 @end example
1970
1971 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1972 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1973 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1974 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1975 and the position of each element in the matrix.
1976
1977 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1978 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1979 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1980 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1981 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1982 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1983
1984 @cindex @code{sub_matrix()}
1985 @cindex @code{reduced_matrix()}
1986 @example
1987 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1988 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1989 @end example
1990
1991 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1992 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1993 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1994 that specify which row and column to remove:
1995
1996 @example
1997 @{
1998     matrix m(3,3);
1999     m = 11, 12, 13,
2000         21, 22, 23,
2001         31, 32, 33;
2002     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2003     // -> [[11,13],[31,33]]
2004     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2005     // -> [[22,23],[32,33]]
2006 @}
2007 @end example
2008
2009 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2010 operator:
2011
2012 @example
2013 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2014 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2015 @end example
2016
2017 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2018 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2019 @samp{[]} is not available.
2020
2021 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2022
2023 @example
2024 @{
2025     symbol a("a"), b("b");
2026
2027     matrix M(2, 2);
2028     M = a, 0,
2029         0, b;
2030     cout << M << endl;
2031      // -> [[a,0],[0,b]]
2032
2033     matrix M2(2, 2);
2034     M2(0, 0) = a;
2035     M2(1, 1) = b;
2036     cout << M2 << endl;
2037      // -> [[a,0],[0,b]]
2038
2039     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2040      // -> [[a,0],[0,b]]
2041
2042     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2043      // -> [[a,0],[0,b]]
2044
2045     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     cout << unit_matrix(3) << endl;
2049      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2050
2051     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2052      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2053 @}
2054 @end example
2055
2056 @cindex @code{transpose()}
2057 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2058 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2059
2060 @example
2061 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2063 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2064 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2065 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2066 matrix matrix::transpose() const;
2067 @end example
2068
2069 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2070 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2071 and @math{C}:
2072
2073 @example
2074 @{
2075     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2076     A =  1, 2,
2077          3, 4;
2078     B = -1, 0,
2079          2, 1;
2080     C =  8, 4,
2081          2, 1;
2082
2083     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2084     cout << result << endl;
2085      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2086     ...
2087 @}
2088 @end example
2089
2090 @cindex @code{evalm()}
2091 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2092 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2093 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2094 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2095 method
2096
2097 @example
2098 ex ex::evalm() const;
2099 @end example
2100
2101 to obtain the result:
2102
2103 @example
2104 @{
2105     ...
2106     ex e = A*B - 2*C;
2107     cout << e << endl;
2108      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2109     cout << e.evalm() << endl;
2110      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2111     ...
2112 @}
2113 @end example
2114
2115 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2116 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2117 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2118 dealing with non-commutative expressions.
2119
2120 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2121 to perform the arithmetic:
2122
2123 @example
2124 @{
2125     ...
2126     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2127     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2128     cout << e << endl;
2129      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2130     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2131      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2132 @}
2133 @end example
2134
2135 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2136 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2137 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2138 more information about using matrices with indices, and about indices in
2139 general.
2140
2141 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2142 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2143
2144 @cindex @code{determinant()}
2145 @cindex @code{trace()}
2146 @cindex @code{charpoly()}
2147 @cindex @code{rank()}
2148 @example
2149 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2150 ex matrix::trace() const;
2151 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2152 unsigned matrix::rank() const;
2153 @end example
2154
2155 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2156 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2157 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2158 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2159 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2160 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2161 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2162 quickly.
2163
2164 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2165 @cindex @code{solve()}
2166 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2167 method and linear systems may be solved with:
2168
2169 @example
2170 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2171                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2172 @end example
2173
2174 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2175 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2176 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2177 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2178 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2179 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2180 overdetermined, an exception is thrown.
2181
2182
2183 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2184 @c    node-name, next, previous, up
2185 @section Indexed objects
2186
2187 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2188 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2189 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2190 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2191
2192 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2193 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2194 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2195 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2196
2197 @cindex @code{idx} (class)
2198 @cindex @code{indexed} (class)
2199 @subsection Indexed quantities and their indices
2200
2201 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2202 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2203
2204 @itemize @bullet
2205
2206 @cindex contravariant
2207 @cindex covariant
2208 @cindex variance
2209 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2210 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2211 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2212 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2213 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2214 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2215
2216 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2217 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2218 one or more indices.
2219
2220 @end itemize
2221
2222 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2223 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2224 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2225 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2226 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2227 not visible in the output.
2228
2229 A simple example shall illustrate the concepts:
2230
2231 @example
2232 #include <iostream>
2233 #include <ginac/ginac.h>
2234 using namespace std;
2235 using namespace GiNaC;
2236
2237 int main()
2238 @{
2239     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2240     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2241
2242     symbol A("A");
2243     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i.j
2245     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2246      // -> A.i[3].j[3]
2247     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2248     ...
2249 @end example
2250
2251 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2252 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2253 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2254 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2255 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2256 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2257 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2258 @code{j}.
2259
2260 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2261 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2262 as shown above.
2263
2264 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2265 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2266 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2267 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2268 correct and will raise an exception:
2269
2270 @example
2271 symbol i("i"), j("j");
2272 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2273 @end example
2274
2275 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2276 be numeric, and index dimensions symbolic:
2277
2278 @example
2279     ...
2280     symbol B("B"), dim("dim");
2281     cout << 4 * indexed(A, i)
2282           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2283      // -> B.j.2.i+4*A.i
2284     ...
2285 @end example
2286
2287 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2288 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2289 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2290 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2291 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2292
2293 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2294 arbitrary expressions:
2295
2296 @example
2297     ...
2298     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2299      // -> (B+A).(1+2*i)
2300     ...
2301 @end example
2302
2303 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2304 get an error message from this but you will probably not be able to do
2305 anything useful with it.
2306
2307 @cindex @code{get_value()}
2308 @cindex @code{get_dimension()}
2309 The methods
2310
2311 @example
2312 ex idx::get_value();
2313 ex idx::get_dimension();
2314 @end example
2315
2316 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2317 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2318 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2319 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2320
2321 There are also the methods
2322
2323 @example
2324 bool idx::is_numeric();
2325 bool idx::is_symbolic();
2326 bool idx::is_dim_numeric();
2327 bool idx::is_dim_symbolic();
2328 @end example
2329
2330 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2331 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2332 About Expressions}) returns information about the index value.
2333
2334 @cindex @code{varidx} (class)
2335 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2336
2337 @example
2338     ...
2339     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2340     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2341     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2342
2343     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2344      // -> A~mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2348      // -> A.mu~nu
2349     ...
2350 @end example
2351
2352 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2353 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2354 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2355 constructor. The two methods
2356
2357 @example
2358 bool varidx::is_covariant();
2359 bool varidx::is_contravariant();
2360 @end example
2361
2362 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2363 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2364 method
2365
2366 @example
2367 ex varidx::toggle_variance();
2368 @end example
2369
2370 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2371 variance. By using it you only have to define the index once.
2372
2373 @cindex @code{spinidx} (class)
2374 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2375 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2376
2377 @example
2378     ...
2379     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2380     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2381                                             // contravariant, undotted
2382     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2383     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2384     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2385
2386     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2387      // -> K~C~D
2388     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2389      // -> K.C~*D
2390     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2391      // -> K.*D~D
2392     ...
2393 @end example
2394
2395 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2396 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2397 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2398 methods
2399
2400 @example
2401 bool spinidx::is_dotted();
2402 bool spinidx::is_undotted();
2403 @end example
2404
2405 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2406 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2407 Finally, the two methods
2408
2409 @example
2410 ex spinidx::toggle_dot();
2411 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2412 @end example
2413
2414 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2415 and the same or opposite variance.
2416
2417 @subsection Substituting indices
2418
2419 @cindex @code{subs()}
2420 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2421 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2422 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2423 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2424
2425 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2426 by another index or expression:
2427
2428 @example
2429     ...
2430     ex e = indexed(A, mu_co);
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~nu
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A~0
2435     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2436      // -> A.mu becomes A.0
2437     ...
2438 @end example
2439
2440 The third example shows that trying to replace an index with something that
2441 is not an index will substitute the index value instead.
2442
2443 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2444 another expression:
2445
2446 @example
2447     ...
2448     ex e = indexed(A, mu_co);
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.nu
2451     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2452      // -> A.mu becomes A.0
2453     ...
2454 @end example
2455
2456 As you see, with the second method only the value of the index will get
2457 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2458 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2459 whole index by another one with the new dimension.
2460
2461 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2462 expected:
2463
2464 @example
2465     ...
2466     ex e = indexed(A, mu_co);
2467     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2468      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2469     ...
2470 @end example
2471
2472 @subsection Symmetries
2473 @cindex @code{symmetry} (class)
2474 @cindex @code{sy_none()}
2475 @cindex @code{sy_symm()}
2476 @cindex @code{sy_anti()}
2477 @cindex @code{sy_cycl()}
2478
2479 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2480 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2481 that is constructed with the helper functions
2482
2483 @example
2484 symmetry sy_none(...);
2485 symmetry sy_symm(...);
2486 symmetry sy_anti(...);
2487 symmetry sy_cycl(...);
2488 @end example
2489
2490 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2491 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2492 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2493 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2494 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2495 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2496 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2497 all indices.
2498
2499 Here are some examples of symmetry definitions:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     // No symmetry:
2504     e = indexed(A, i, j);
2505     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2506     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2507
2508     // Symmetric in all three indices:
2509     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2510     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2511     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2512                                                // different canonical order
2513
2514     // Symmetric in the first two indices only:
2515     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2516     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2517
2518     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2519     // be contiguous):
2520     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2521     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2522
2523     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2524     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2525     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2526     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2527
2528     // Cyclic symmetry in all three indices:
2529     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2530     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2531
2532     // The following examples are invalid constructions that will throw
2533     // an exception at run time.
2534
2535     // An index may not appear multiple times:
2536     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2537     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2538
2539     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2540     // same number of indices:
2541     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2542
2543     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2544     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2545     ...
2546 @end example
2547
2548 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2549 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2550 full symmetry in the first six indices you would write
2551 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2552
2553 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2554 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2559           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2560      // -> 2*A.j.i
2561     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2562           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2563      // -> 0
2564     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2565           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2566      // -> 0
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 @cindex @code{get_free_indices()}
2571 @cindex dummy index
2572 @subsection Dummy indices
2573
2574 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2575 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2576 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2577 dummy nor free indices.
2578
2579 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2580 class and their value must be the same single symbol (an index like
2581 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2582 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2583 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2584
2585 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2586 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2587 of a sum are consistent:
2588
2589 @example
2590 @{
2591     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2592
2593     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2594     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2595
2596     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2597     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2598      // -> (.i,.k)
2599      // 'j' and 'l' are dummy indices
2600
2601     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2602     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2603
2604     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2605       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2606     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2607      // -> (~mu,~rho)
2608      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2609
2610     e = indexed(A, mu, mu);
2611     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2612      // -> (~mu)
2613      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2614      // variance
2615
2616     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2617     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2618      // this will throw an exception:
2619      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2620 @}
2621 @end example
2622
2623 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2624 A dummy index summation like 
2625 @tex
2626 $ a_i b^i$
2627 @end tex
2628 @ifnottex
2629 a.i b~i
2630 @end ifnottex
2631 can be expanded for indices with numeric
2632 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2633 @tex
2634 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2635 @end tex
2636 @ifnottex
2637 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2638 @end ifnottex
2639 This is performed by the function
2640
2641 @example
2642     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2643 @end example
2644
2645 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2646 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2647 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2648 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2649 @tex
2650 $ a_i b^i$
2651 @end tex
2652 @ifnottex
2653 a.i b~i
2654 @end ifnottex
2655 will be expanded to
2656 @tex
2657 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2658 @end tex
2659 @ifnottex
2660 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2661 @end ifnottex
2662
2663
2664 @cindex @code{simplify_indexed()}
2665 @subsection Simplifying indexed expressions
2666
2667 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2668 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2669 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2670 there is the method
2671
2672 @example
2673 ex ex::simplify_indexed();
2674 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2675 @end example
2676
2677 that performs some more expensive operations:
2678
2679 @itemize
2680 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2681   @code{get_free_indices()} does
2682 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2683   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2684 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2685   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2686   next section)
2687 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2688   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2689 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2690   of two tensors with a user-defined value
2691 @end itemize
2692
2693 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2694 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2695 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2696
2697 @example
2698 @{
2699     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2700     idx i(i_sym, 3);
2701
2702     scalar_products sp;
2703     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2704     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2705     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2706
2707     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2708     cout << e << endl;
2709      // -> (B+A).i*(A+C).i
2710
2711     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2712          << endl;
2713      // -> 4+C.i*B.i
2714 @}
2715 @end example
2716
2717 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2718 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2719 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2720 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2721 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2722 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2723 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2724 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2725
2726 @cindex @code{expand()}
2727 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2728 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2729 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2730
2731 @cindex @code{tensor} (class)
2732 @subsection Predefined tensors
2733
2734 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2735 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2736 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2737 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2738 indices are specified).
2739
2740 @cindex @code{delta_tensor()}
2741 @subsubsection Delta tensor
2742
2743 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2744 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2745 @code{delta_tensor()}:
2746
2747 @example
2748 @{
2749     symbol A("A"), B("B");
2750
2751     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2752         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2753
2754     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2755          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2756     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2757      // -> B.i.j*A.i.j
2758
2759     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2760      // -> 3
2761 @}
2762 @end example
2763
2764 @cindex @code{metric_tensor()}
2765 @subsubsection General metric tensor
2766
2767 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2768 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2769 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2770 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2771
2772 @example
2773 @{
2774     symbol A("A");
2775
2776     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2777
2778     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2779     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2780      // -> A~mu~rho
2781
2782     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2783     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2784      // -> g~mu~rho
2785
2786     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2787       * metric_tensor(nu, rho);
2788     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2789      // -> delta.mu~rho
2790
2791     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2792       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2793         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2794     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2795      // -> 4+A.rho~rho
2796 @}
2797 @end example
2798
2799 @cindex @code{lorentz_g()}
2800 @subsubsection Minkowski metric tensor
2801
2802 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2803 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2804 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2805 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2806 @samp{eta}):
2807
2808 @example
2809 @{
2810     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2811
2812     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2813       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2814     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2815      // -> 1
2816
2817     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2818       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2819     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2820      // -> -1
2821 @}
2822 @end example
2823
2824 @cindex @code{spinor_metric()}
2825 @subsubsection Spinor metric tensor
2826
2827 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2828 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2829 It is output as @samp{eps}:
2830
2831 @example
2832 @{
2833     symbol psi("psi");
2834
2835     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2836     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2837
2838     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> psi~A
2841
2842     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2843     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2844      // -> -psi~B
2845
2846     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2847     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2848      // -> -psi.A
2849
2850     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> psi.B
2853
2854     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2855     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2856      // -> 2
2857
2858     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2859     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2860      // -> -delta.A~C
2861 @}
2862 @end example
2863
2864 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2865
2866 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2867 @cindex @code{lorentz_eps()}
2868 @subsubsection Epsilon tensor
2869
2870 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2871 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2872 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2873 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2874 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2875 @samp{eps}.
2876
2877 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2878 dimensions:
2879
2880 @example
2881 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2882 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2883 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2884                bool pos_sig = false);
2885 @end example
2886
2887 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2888 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2889 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2890 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2891 tensor):
2892
2893 @example
2894 @{
2895     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2896            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2897     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2898         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2899     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2900      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2901
2902     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2903     symbol A("A"), B("B");
2904     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2905     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2906      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2907     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2908     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2909      // -> 0
2910 @}
2911 @end example
2912
2913 @subsection Linear algebra
2914
2915 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2916 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2917 and scalar products):
2918
2919 @example
2920 @{
2921     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2922     symbol x("x"), y("y");
2923
2924     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2925     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2926     A = 1, 2,
2927         3, 4;
2928     X = x, y;
2929
2930     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2931      // -> 5
2932
2933     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2934     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2935      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2936
2937     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2938     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2939      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2940 @}
2941 @end example
2942
2943 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2944 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2945 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2946
2947 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2948 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2949 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2950 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2951
2952 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2953 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2954 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2955 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2956 of the metric tensor.
2957
2958
2959 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2960 @c    node-name, next, previous, up
2961 @section Non-commutative objects
2962
2963 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2964 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2965 physics:
2966
2967 @itemize
2968 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2969 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2970 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2971 @end itemize
2972
2973 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2974 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2975 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2976 @ref{Matrices}.
2977
2978 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2979 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2980 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2981 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2982 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2983 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2984 by their class. Consider this example:
2985
2986 @example
2987     ...
2988     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2989     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2990     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2991     cout << e << endl;
2992      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2993     ...
2994 @end example
2995
2996 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2997 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2998 together while preserving the order of factors within each class (because
2999 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3000 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3001 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3002 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3003
3004 @cindex @code{ncmul} (class)
3005 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3006 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3007 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3008 though.
3009
3010 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3011 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3012 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3013 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3014 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3015 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3016 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
3017 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
3018 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
3019 functions can, however, be specified as being non-commutative.
3020
3021 @cindex @code{return_type()}
3022 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3023 Information about the commutativity of an object or expression can be
3024 obtained with the two member functions
3025
3026 @example
3027 unsigned ex::return_type() const;
3028 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3029 @end example
3030
3031 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3032 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3033 expressions in GiNaC:
3034
3035 @itemize
3036 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3037   classes are of this kind.
3038 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3039   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3040   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3041   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3042   class.
3043 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3044   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3045   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3046   @code{noncommutative_composite} expressions.
3047 @end itemize
3048
3049 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3050 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3051 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3052 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3053
3054 Here are a couple of examples:
3055
3056 @cartouche
3057 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3058 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3059 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3060 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3061 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3062 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3063 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3064 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3065 @end multitable
3066 @end cartouche
3067
3068 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3069 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3070 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3071 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3072 for color objects.
3073
3074 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3075 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3076 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3077 non-commutative expressions).
3078
3079
3080 @cindex @code{clifford} (class)
3081 @subsection Clifford algebra
3082
3083
3084 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3085 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3086 mathematical). 
3087
3088 @cindex @code{dirac_gamma()}
3089 @subsubsection Dirac gamma matrices
3090 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3091 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3092 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3093 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3094 constructed by the function
3095
3096 @example
3097 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3098 @end example
3099
3100 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3101 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3102 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3103 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3104 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3105 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3106
3107 @cindex @code{dirac_ONE()}
3108 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3109
3110 @example
3111 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3112 @end example
3113
3114 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3115 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3116 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3117 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3118 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3119
3120 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3121 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3122 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3123 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3124
3125 @example
3126 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3127 @end example
3128
3129 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3130 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3131 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3132 objects, constructed by
3133
3134 @example
3135 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3136 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3137 @end example
3138
3139 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3140 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3141
3142 @cindex @code{dirac_slash()}
3143 Finally, the function
3144
3145 @example
3146 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3147 @end example
3148
3149 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3150 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3151 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3152 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3153
3154 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3155 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3156 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3157
3158 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3159 for example
3160
3161 @example
3162 @{
3163     ...
3164     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3165     varidx mu(symbol("mu"), D);
3166     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3167          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3168     cout << e << endl;
3169      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3170     e = e.simplify_indexed();
3171     cout << e << endl;
3172      // -> -D*a\+2*a\
3173     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3174      // -> -2*a\
3175     ...
3176 @}
3177 @end example
3178
3179 @cindex @code{dirac_trace()}
3180 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3181 you use one of the functions
3182
3183 @example
3184 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3185                const ex & trONE = 4);
3186 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3187 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3188 @end example
3189
3190 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3191 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3192 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3193 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3194 element, which defaults to 4.
3195
3196 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3197 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3198 functional is not cyclic in
3199 @tex $D \ne 4$
3200 @end tex
3201 dimensions when acting on
3202 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3203 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3204 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3205
3206 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3207 @tex $D \ne 4$
3208 @end tex
3209 dimensions:
3210
3211 @example
3212 @{
3213     // 4 dimensions
3214     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3215     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3216            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3217     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3218      // -> -8*eta~rho~nu
3219 @}
3220 ...
3221 @{
3222     // D dimensions
3223     symbol D("D");
3224     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3225     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3226            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3227     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3228      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3229 @}
3230 @end example
3231
3232 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3233 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3234 QED:
3235
3236 @example
3237 @{
3238     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3239     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3240
3241     scalar_products sp;
3242     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3243     sp.add(l, q, ldotq);
3244
3245     ex e = dirac_gamma(mu) *
3246            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3247            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3248            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3249     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3250     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3251     cout << e << endl;
3252      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3253 @}
3254 @end example
3255
3256 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3257 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3258 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3259
3260 @example
3261 @{
3262     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3263     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3264     cout << e << endl;
3265      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3266
3267     e = canonicalize_clifford(e);
3268     cout << e << endl;
3269      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3270 @}
3271 @end example
3272
3273 @cindex @code{clifford_unit()}
3274 @subsubsection A generic Clifford algebra
3275
3276 A generic Clifford algebra, i.e. a
3277 @tex
3278 $2^n$
3279 @end tex
3280 dimensional algebra with
3281 generators 
3282 @tex $e_k$
3283 @end tex 
3284 satisfying the identities 
3285 @tex
3286 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3287 @end tex
3288 @ifnottex
3289 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3290 @end ifnottex
3291 for some bilinear form (@code{metric})
3292 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3293 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3294 function 
3295
3296 @example
3297     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3298                                 bool anticommuting = false);    
3299 @end example
3300
3301 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3302 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3303 @code{idx} as well.
3304 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3305 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3306 object. Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3307 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3308 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3309 assumption (i.e.
3310 @tex
3311 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3312 @end tex
3313 @ifnottex
3314 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3315 @end ifnottex
3316 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3317 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3318 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3319 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3320 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3321
3322 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3323 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3324 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3325 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3326 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3327 Clifford number.
3328 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3329 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3330 @code{anticommuting} property of a unit.
3331
3332 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3333 the Clifford algebra units with a call like that
3334
3335 @example
3336     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3337 @end example
3338
3339 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3340 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3341 automatically. 
3342
3343 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3344 ways. For example 
3345
3346 @example
3347 @{
3348     ... 
3349     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3350     realsymbol s("s");
3351     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3352     ex e = clifford_unit(nu, M);
3353     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3354     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3355     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3356     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3357     ...
3358 @}
3359 @end example
3360
3361 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3362 @tex
3363 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3364 @end tex
3365 @ifnottex
3366 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3367 @code{pow(e3, 2) = s}.
3368 @end ifnottex
3369
3370 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3371 A similar effect can be achieved from the function
3372
3373 @example
3374     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3375                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3376     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3377 @end example
3378
3379 which converts a list or vector 
3380 @tex
3381 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3382 @end tex
3383 @ifnottex
3384 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3385 @end ifnottex
3386 into the
3387 Clifford number 
3388 @tex
3389 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3390 @end tex
3391 @ifnottex
3392 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3393 @end ifnottex
3394 with @samp{e.k}
3395 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3396 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3397 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3398 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3399
3400 @example
3401 @{
3402     ...
3403     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3404     realsymbol s("s");
3405     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3406     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3407     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3408     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3409     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3410   ...
3411 @}
3412 @end example
3413
3414 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3415 There is the inverse function 
3416
3417 @example
3418     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3419 @end example
3420
3421 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3422 @tex
3423 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3424 @end tex
3425 @ifnottex
3426 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3427 @end ifnottex
3428 such that 
3429 @tex
3430 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3431 @end tex
3432 @ifnottex
3433 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3434 @end ifnottex
3435 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3436 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3437 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3438 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3439 @tex
3440 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3441 @end tex
3442 @ifnottex
3443 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3444 @end ifnottex
3445 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3446 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3447 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3448
3449 @cindex @code{clifford_prime()}
3450 @cindex @code{clifford_star()}
3451 @cindex @code{clifford_bar()}
3452 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3453
3454 @example
3455     ex clifford_prime(const ex & e)
3456     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3457     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3458 @end example
3459
3460 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3461 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3462 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3463 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3464 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3465 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3466 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3467 in a product. These functions correspond to the notations
3468 @math{e'},
3469 @tex
3470 $e^*$
3471 @end tex
3472 @ifnottex
3473 e*
3474 @end ifnottex
3475 and
3476 @tex
3477 $\overline{e}$
3478 @end tex
3479 @ifnottex
3480 @code{\bar@{e@}}
3481 @end ifnottex
3482 used in Clifford algebra textbooks.
3483
3484 @cindex @code{clifford_norm()}
3485 The function
3486
3487 @example
3488     ex clifford_norm(const ex & e);
3489 @end example
3490
3491 @cindex @code{clifford_inverse()}
3492 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3493 @tex
3494 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3495 @end tex
3496 @ifnottex
3497 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3498 @end ifnottex
3499  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3500
3501 @example
3502     ex clifford_inverse(const ex & e);
3503 @end example
3504
3505 which calculates it as 
3506 @tex
3507 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3508 @end tex
3509 @ifnottex
3510 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3511 @end ifnottex
3512  If
3513 @tex
3514 $||e|| = 0$
3515 @end tex
3516 @ifnottex
3517 @math{||e||=0}
3518 @end ifnottex
3519 then an exception is raised.
3520
3521 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3522 If a Clifford number happens to be a factor of
3523 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3524 expression by the function
3525
3526 @example
3527     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3528 @end example
3529
3530 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3531 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3532 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3533
3534 The next provided function is
3535
3536 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3537 @example
3538     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3539                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3540                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3541     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3542                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3543 @end example 
3544
3545 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3546 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3547 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3548 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3549 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3550 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are ignored
3551 even if supplied.  The returned value of this function is a list of
3552 components of the resulting vector.
3553
3554 @cindex @code{clifford_max_label()}
3555 Finally the function
3556
3557 @example
3558 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3559 @end example
3560
3561 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3562 such objects are found it returns the maximal
3563 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3564 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3565 be ignored during the search.
3566  
3567 LaTeX output for Clifford units looks like
3568 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3569 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3570 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3571 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3572 @example
3573     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3574 @end example
3575 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3576 @example
3577     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3578 @end example
3579 prints units with @code{representation_label=0} as 
3580 @tex
3581 $e$,
3582 @end tex
3583 @ifnottex
3584 @code{e},
3585 @end ifnottex
3586 with @code{representation_label=1} as 
3587 @tex
3588 $\tilde{e}$
3589 @end tex
3590 @ifnottex
3591 @code{\tilde@{e@}}
3592 @end ifnottex
3593  and with @code{representation_label=2} as 
3594 @tex
3595 $\breve{e}$.
3596 @end tex
3597 @ifnottex
3598 @code{\breve@{e@}}.
3599 @end ifnottex
3600
3601 @cindex @code{color} (class)
3602 @subsection Color algebra
3603
3604 @cindex @code{color_T()}
3605 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3606 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3607 elements @math{T_a} are constructed by the function
3608
3609 @example
3610 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3611 @end example
3612
3613 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3614 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3615 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3616 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3617 not @code{varidx}.
3618
3619 @cindex @code{color_ONE()}
3620 The unity element of a color algebra is constructed by
3621
3622 @example
3623 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3624 @end example
3625
3626 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3627 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3628 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3629 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3630 GiNaC may produce incorrect results.
3631
3632 @cindex @code{color_d()}
3633 @cindex @code{color_f()}
3634 The functions
3635
3636 @example
3637 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3638 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3639 @end example
3640
3641 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3642 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3643 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3644
3645 These functions evaluate to their numerical values,
3646 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3647 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3648 goes along better with the notations used in physical literature.
3649
3650 @cindex @code{color_h()}
3651 There's an additional function
3652
3653 @example
3654 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3655 @end example
3656
3657 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3658
3659 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3660 expressions containing color objects:
3661
3662 @example
3663 @{
3664     ...
3665     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3666         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3667
3668     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3669     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3670      // -> 0
3671
3672     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3673     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3674      // -> 5/3*delta.k.l
3675
3676     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3677     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3678      // -> 3*delta.k.l
3679
3680     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3681     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3682      // -> -32/3
3683
3684     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3685     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3686      // -> -2/3*T.a
3687
3688     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3689     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3690      // -> -8/9*ONE
3691
3692     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3693     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3694      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3695     ...
3696 @end example
3697
3698 @cindex @code{color_trace()}
3699 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3700 of the functions
3701
3702 @example
3703 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3704 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3705 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3706 @end example
3707
3708 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3709 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3710 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3711 example:
3712
3713 @example
3714     ...
3715     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3716     cout << e << endl;
3717      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3718 @}
3719 @end example
3720
3721
3722 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3723 @c    node-name, next, previous, up
3724 @section Hash Maps
3725 @cindex hash maps
3726 @cindex @code{exhashmap} (class)
3727
3728 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3729 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3730 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3731 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3732
3733 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3734 following differences:
3735
3736 @itemize @bullet
3737 @item
3738 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3739 @item
3740 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3741 @item 
3742 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3743 @item
3744 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3745 @code{ex_is_less}
3746 @item
3747 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3748 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3749 larger than the specified value)
3750 @item
3751 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3752 table
3753 @item 
3754 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3755 @end itemize
3756
3757
3758 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3759 @c    node-name, next, previous, up
3760 @chapter Methods and Functions
3761 @cindex polynomial
3762
3763 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3764 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3765 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3766 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3767 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3768 example:
3769
3770 @example
3771     ...
3772     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3773     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3774     ...
3775 @end example
3776
3777 @cindex @code{subs()}
3778 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3779 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3780 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3781 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3782 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3783 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3784 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3785 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3786 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3787 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3788 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3789 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3790 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3791 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3792 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3793 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3794 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3795 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3796 avoided.
3797
3798 @menu
3799 * Information About Expressions::
3800 * Numerical Evaluation::
3801 * Substituting Expressions::
3802 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3803 * Applying a Function on Subexpressions::
3804 * Visitors and Tree Traversal::
3805 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3806 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3807 * Symbolic Differentiation::
3808 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3809 * Symmetrization::
3810 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3811 * Multiple polylogarithms::
3812 * Complex Conjugation::
3813 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3814 * Solving Linear Systems of Equations::
3815 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3816 @end menu
3817
3818
3819 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3820 @c    node-name, next, previous, up
3821 @section Getting information about expressions
3822
3823 @subsection Checking expression types
3824 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3825 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3826 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3827 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3828 @cindex @code{info()}
3829 @cindex @code{return_type()}
3830 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3831
3832 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3833 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3834 GiNaC provides a couple of functions for this:
3835
3836 @example
3837 bool is_a<T>(const ex & e);
3838 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3839 bool ex::info(unsigned flag);
3840 unsigned ex::return_type() const;
3841 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3842 @end example
3843
3844 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3845 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3846 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3847 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3848
3849 @example
3850 @{
3851     @dots{}
3852     if (is_a<numeric>(e))
3853         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3854     @dots{}
3855 @}
3856 @end example
3857
3858 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3859 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3860 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3861 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3862
3863 @example
3864 @{
3865     symbol x("x");
3866     ex e1 = 42;
3867     ex e2 = 4*x - 3;
3868     is_a<numeric>(e1);  // true
3869     is_a<numeric>(e2);  // false
3870     is_a<add>(e1);      // false
3871     is_a<add>(e2);      // true
3872     is_a<mul>(e1);      // false
3873     is_a<mul>(e2);      // false
3874 @}
3875 @end example
3876
3877 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3878 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3879 class @samp{T}, not including parent classes.
3880
3881 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3882 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3883 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3884 table:
3885
3886 @cartouche
3887 @multitable @columnfractions .30 .70
3888 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3889 @item @code{numeric}
3890 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3891 @item @code{real}
3892 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3893 @item @code{rational}
3894 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3895 @item @code{integer}
3896 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3897 @item @code{crational}
3898 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3899 @item @code{cinteger}
3900 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3901 @item @code{positive}
3902 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3903 @item @code{negative}
3904 @tab @dots{}not complex and less than 0
3905 @item @code{nonnegative}
3906 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3907 @item @code{posint}
3908 @tab @dots{}an integer greater than 0
3909 @item @code{negint}
3910 @tab @dots{}an integer less than 0
3911 @item @code{nonnegint}
3912 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3913 @item @code{even}
3914 @tab @dots{}an even integer
3915 @item @code{odd}
3916 @tab @dots{}an odd integer
3917 @item @code{prime}
3918 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3919 @item @code{relation}
3920 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3921 @item @code{relation_equal}
3922 @tab @dots{}a @code{==} relation
3923 @item @code{relation_not_equal}
3924 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3925 @item @code{relation_less}
3926 @tab @dots{}a @code{<} relation
3927 @item @code{relation_less_or_equal}
3928 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3929 @item @code{relation_greater}
3930 @tab @dots{}a @code{>} relation
3931 @item @code{relation_greater_or_equal}
3932 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3933 @item @code{symbol}
3934 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3935 @item @code{list}
3936 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3937 @item @code{polynomial}
3938 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3939 @item @code{integer_polynomial}
3940 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3941 @item @code{cinteger_polynomial}
3942 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3943 @item @code{rational_polynomial}
3944 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3945 @item @code{crational_polynomial}
3946 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3947 @item @code{rational_function}
3948 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3949 @item @code{algebraic}
3950 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3951 @end multitable
3952 @end cartouche
3953
3954 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3955 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3956 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3957 for an explanation of these.
3958
3959
3960 @subsection Accessing subexpressions
3961 @cindex container
3962
3963 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3964 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3965 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3966 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3967
3968 @cindex @code{nops()}
3969 @cindex @code{op()}
3970 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3971 use the two methods
3972
3973 @example
3974 size_t ex::nops();
3975 ex ex::op(size_t i);
3976 @end example
3977
3978 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3979 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3980 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3981 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3982 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3983 @math{i>0} are the indices.
3984
3985 @cindex iterators
3986 @cindex @code{const_iterator}
3987 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3988 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3989
3990 @example
3991 const_iterator ex::begin();
3992 const_iterator ex::end();
3993 @end example
3994
3995 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3996 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3997 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3998 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3999
4000 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4001 given expression in three different ways:
4002
4003 @example
4004 @{
4005     ex e = ...
4006
4007     // with nops()/op()
4008     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4009         cout << e.op(i) << endl;
4010
4011     // with iterators
4012     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4013         cout << *i << endl;
4014
4015     // with iterators and STL copy()
4016     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4017 @}
4018 @end example
4019
4020 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4021 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4022 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4023 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4024 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4025 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4026 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4027 methods
4028
4029 @example
4030 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4031 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4032 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4033 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4034 @end example
4035
4036 The following example illustrates the differences between
4037 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4038 @code{const_postorder_iterator}:
4039
4040 @example
4041 @{
4042     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4043     ex e = lst(lst(A, B), C);
4044
4045     std::copy(e.begin(), e.end(),
4046               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4047     // @{A,B@}
4048     // C
4049
4050     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4051               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4052     // @{@{A,B@},C@}
4053     // @{A,B@}
4054     // A
4055     // B
4056     // C
4057
4058     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4059               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4060     // A
4061     // B
4062     // @{A,B@}
4063     // C
4064     // @{@{A,B@},C@}
4065 @}
4066 @end example
4067
4068 @cindex @code{relational} (class)
4069 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4070 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4071 methods
4072
4073 @example
4074 ex ex::lhs();
4075 ex ex::rhs();
4076 @end example
4077
4078
4079 @subsection Comparing expressions
4080 @cindex @code{is_equal()}
4081 @cindex @code{is_zero()}
4082
4083 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4084 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4085 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4086 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4087 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4088 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4089 @code{false}.
4090
4091 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4092 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4093 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4094
4095 There are also two methods
4096
4097 @example
4098 bool ex::is_equal(const ex & other);
4099 bool ex::is_zero();
4100 @end example
4101
4102 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4103 respectively.
4104
4105
4106 @subsection Ordering expressions
4107 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4108 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4109 @cindex @code{compare()}
4110
4111 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4112 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4113 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4114 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4115
4116 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4117 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4118 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4119 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4120 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4121 yield @code{true}.
4122
4123 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4124 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4125 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4126 predicates to the STL:
4127
4128 @example
4129 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4130 public:
4131     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4132 @};
4133
4134 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4135 public:
4136     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4137 @};
4138 @end example
4139
4140 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4141 have to use
4142
4143 @example
4144 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4145 @end example
4146
4147 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4148 bugs because the map operates improperly.
4149
4150 Other examples for the use of the functors:
4151
4152 @example
4153 std::vector<ex> v;
4154 // fill vector
4155 ...
4156
4157 // sort vector
4158 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4159
4160 // count the number of expressions equal to '1'
4161 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4162                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4163 @end example
4164
4165 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4166
4167 @example
4168 int ex::compare(const ex & other) const;
4169 @end example
4170
4171 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4172 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4173 after @code{other}.
4174
4175
4176 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4177 @c    node-name, next, previous, up
4178 @section Numerical Evaluation
4179 @cindex @code{evalf()}
4180
4181 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4182 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4183
4184 @example
4185 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4186 @end example
4187
4188 @cindex @code{Digits}
4189 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4190 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4191 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4192
4193 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4194 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4195
4196 @example
4197 @{
4198     // Approximate sin(x/Pi)
4199     symbol x("x");
4200     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4201
4202     // Evaluate numerically at x=0.1
4203     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4204
4205     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4206     if (is_a<numeric>(f)) @{
4207         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4208         cout << d << endl;
4209          // -> 0.0318256
4210     @} else
4211         // error
4212 @}
4213 @end example
4214
4215
4216 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4217 @c    node-name, next, previous, up
4218 @section Substituting expressions
4219 @cindex @code{subs()}
4220
4221 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4222 expressions via the @code{.subs()} method:
4223
4224 @example
4225 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4226 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4227 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4228 @end example
4229
4230 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4231 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4232
4233 @example
4234 @{
4235     symbol x("x"), y("y");
4236
4237     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4238     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4239      // -> 73
4240
4241     ex e2 = x*y + x;
4242     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4243      // -> -10
4244 @}
4245 @end example
4246
4247 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4248 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4249
4250 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4251 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4252 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4253 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4254 be substituted is large or unknown.
4255
4256 Using this form, the second example from above would look like this:
4257
4258 @example
4259 @{
4260     symbol x("x"), y("y");
4261     ex e2 = x*y + x;
4262
4263     exmap m;
4264     m[x] = -2;
4265     m[y] = 4;
4266     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4267 @}
4268 @end example
4269
4270 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4271 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4272 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4273
4274 @example
4275 @{
4276     symbol x("x"), y("y");
4277     ex e2 = x*y + x;
4278
4279     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4280 @}
4281 @end example
4282
4283 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4284 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4285 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4286 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4287 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4288 algebraic substitutions in products and powers.
4289 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4290 about patterns and algebraic substitutions.
4291
4292 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4293 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4294 following example:
4295
4296 @example
4297 @{
4298     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4299
4300     ex e1 = pow(x+y, 2);
4301     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4302      // -> 16
4303
4304     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4305     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4306      // -> cos(x)^2*sin(y)
4307
4308     ex e3 = x+y+z;
4309     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4310      // -> x+y+z
4311      // (and not 4+z as one might expect)
4312 @}
4313 @end example
4314
4315 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4316 next section.
4317
4318
4319 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4320 @c    node-name, next, previous, up
4321 @section Pattern matching and advanced substitutions
4322 @cindex @code{wildcard} (class)
4323 @cindex Pattern matching
4324
4325 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4326 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4327 substituting expressions in a more general way.
4328
4329 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4330 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4331 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4332 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4333 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4334 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4335 with the call
4336
4337 @example
4338 ex wild(unsigned label = 0);
4339 @end example
4340
4341 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4342 name.
4343
4344 Some examples for patterns:
4345
4346 @multitable @columnfractions .5 .5
4347 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4348 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4349 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4350 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4351 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4352 @end multitable
4353
4354 Notes:
4355
4356 @itemize
4357 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4358   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4359 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4360   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4361   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4362 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4363   possible to use them as placeholders for other properties like index
4364   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4365   etc.
4366 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4367   as part of noncommutative products.
4368 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4369   are also valid patterns.
4370 @end itemize
4371
4372 @subsection Matching expressions
4373 @cindex @code{match()}
4374 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4375 matches a given pattern. This is done by the function
4376
4377 @example
4378 bool ex::match(const ex & pattern);
4379 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4380 @end example
4381
4382 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4383 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4384 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4385 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4386 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4387 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4388 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4389 expressions by passing in the result of a previous match.
4390
4391 The matching algorithm works as follows:
4392
4393 @itemize
4394 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4395   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4396   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4397   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4398 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4399   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4400   etc.).
4401 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4402   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4403 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4404   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4405   of the pattern.
4406 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4407   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4408 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4409   match the corresponding subexpression of the pattern.
4410 @end itemize
4411
4412 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4413 account for their commutativity and associativity:
4414
4415 @itemize
4416 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4417   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4418   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4419   way.
4420 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4421   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4422   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4423   further matches.
4424 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4425   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4426   which case this wildcard matches the remaining terms.
4427 @end itemize
4428
4429 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4430 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4431 ambiguous results.
4432
4433 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4434 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4435 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4436
4437 @example
4438 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4439 @{@}
4440 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4441 FAIL
4442 > match((x+y)^a,$1^$2);
4443 @{$1==x+y,$2==a@}
4444 > match((x+y)^a,$1^$1);
4445 FAIL
4446 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4447 @{$1==x+y@}
4448 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4449 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4450 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4451 @{$1==a@}
4452 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4453 @{$1==c,$2==b@}
4454   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4455 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4456   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4457    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4458    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4459    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4460    fail.)
4461 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4462   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4463    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4464 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4465 FAIL
4466 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4467 @{$0==a+e+b+f+d@}
4468 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4469 @{$0==a+b+f+d@}
4470 > match(a+b,a+b+$0);
4471 @{$0==0@}
4472 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4473 FAIL
4474   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4475    even though a==a^1.)
4476 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4477 @{$0==x@}
4478 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4479 @{$0==x^2@}
4480 @end example
4481
4482 @subsection Matching parts of expressions
4483 @cindex @code{has()}
4484 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4485 member function
4486
4487 @example
4488 bool ex::has(const ex & pattern);
4489 @end example
4490
4491 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4492 by any of its subexpressions.
4493
4494 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4495 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4496
4497 @example
4498 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4499 1
4500 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4501 0
4502   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4503    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4504 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4505 1
4506   (But this is possible.)
4507 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4508 0
4509   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4510    which "x+y" is not a subexpression.)
4511 > has(x+1,x^$1);
4512 0
4513   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4514    "x^something".)
4515 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4516 1
4517 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4518 0
4519   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4520    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4521    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4522 @end example
4523
4524 @cindex @code{find()}
4525 The method
4526
4527 @example
4528 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4529 @end example
4530
4531 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4532 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4533 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4534 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4535 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4536
4537 @example
4538 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4539 @{x@}
4540 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4541 @{@}
4542 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4543 @{x^3,x^2@}
4544   (Note the absence of "x".)
4545 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4546 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4547 > find(%,sin($1));
4548 @{sin(y),sin(x)@}
4549 @end example
4550
4551 @subsection Substituting expressions
4552 @cindex @code{subs()}
4553 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4554 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4555 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4556 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4557 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4558
4559 Some examples:
4560
4561 @example
4562 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4563 b^3+a^3+(x+y)^3
4564 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4565 b^4+a^4+(x+y)^4
4566 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4567 (a+b+c)^2
4568 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4569 (x+c)^2
4570 > subs(a+2*b,a+b==x);
4571 a+2*b
4572 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4573 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4574 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4575 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4576 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4577 cos(1+cos(x))
4578 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4579 a+b
4580 @end example
4581
4582 The last example would be written in C++ in this way:
4583
4584 @example
4585 @{
4586     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4587     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4588     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4589     cout << e.expand() << endl;
4590      // -> a+b
4591 @}
4592 @end example
4593
4594 @subsection Algebraic substitutions
4595 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4596 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4597 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4598 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4599 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4600 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4601 powers.
4602
4603 An example clarifies it all (hopefully):
4604
4605 @example
4606 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4607                                         subs_options::algebraic) << endl;
4608 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4609
4610 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4611 // --> (c+b+a)^2
4612 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4613
4614 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4615                                                                       << endl;
4616 // --> (x+c)^2
4617 // As I said: addition is just the same.
4618
4619 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4620 // --> x^3*b*a^2+2*b
4621
4622 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4623                                                                        << endl;
4624 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4625
4626 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4627 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4628
4629 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4630                                 subs_options::algebraic) << endl;
4631 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4632 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4633 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4634
4635 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4636                                 subs_options::algebraic) << endl;
4637 // --> cos(1+cos(x))
4638
4639 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4640         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4641                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4642 // --> b+a
4643 @end example
4644
4645
4646 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4647 @c    node-name, next, previous, up
4648 @section Applying a Function on Subexpressions
4649 @cindex tree traversal
4650 @cindex @code{map()}
4651
4652 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4653 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4654 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4655 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4656 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4657 to do this manually which usually results in code like this:
4658
4659 @example
4660 ex calc_trace(ex e)
4661 @{
4662     if (is_a<matrix>(e))
4663         return ex_to<matrix>(e).trace();
4664     else if (is_a<add>(e)) @{
4665         ex sum = 0;
4666         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4667             sum += calc_trace(e.op(i));
4668         return sum;
4669     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4670         ...
4671     @} else @{
4672         ...
4673     @}
4674 @}
4675 @end example
4676
4677 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4678 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4679 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4680 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4681 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4682
4683 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4684 operations:
4685
4686 @example
4687 ex ex::map(map_function & f) const;
4688 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4689 @end example
4690
4691 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4692 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4693 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4694 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4695 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4696 non-recursively.
4697
4698 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4699 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4700 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4701 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4702 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4703
4704 @example
4705 struct calc_trace : public map_function @{
4706     ex operator()(const ex &e)
4707     @{
4708         if (is_a<matrix>(e))
4709             return ex_to<matrix>(e).trace();
4710         else if (is_a<mul>(e)) @{
4711             ...
4712         @} else
4713             return e.map(*this);
4714     @}
4715 @};
4716 @end example
4717
4718 This function object could then be used like this:
4719
4720 @example
4721 @{
4722     ex M = ... // expression with matrices
4723     calc_trace do_trace;
4724     ex tr = do_trace(M);
4725 @}
4726 @end example
4727
4728 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4729 terms in a variable from an expanded polynomial:
4730
4731 @example
4732 struct map_rem_quad : public map_function @{
4733     ex var;
4734     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4735
4736     ex operator()(const ex & e)
4737     @{
4738         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4739             return e.map(*this);
4740         else if (is_a<power>(e) && 
4741                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4742             return 0;
4743         else
4744             return e;
4745     @}
4746 @};
4747
4748 ...
4749
4750 @{
4751     symbol x("x"), y("y");
4752
4753     ex e;
4754     for (int i=0; i<8; i++)
4755         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4756     cout << e << endl;
4757      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
4758
4759     map_rem_quad rem_quad(x);
4760     cout << rem_quad(e) << endl;
4761      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4762 @}
4763 @end example
4764
4765 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4766 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4767 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4768 acts as the placeholder for the operands:
4769
4770 @example
4771 > map(a*b,sin($0));
4772 sin(a)*sin(b)
4773 > map(a+2*b,sin($0));
4774 sin(a)+sin(2*b)
4775 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4776 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4777 @end example
4778
4779 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4780 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4781 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4782
4783 @example
4784 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4785 @{0,0,0@}
4786   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4787   to "map(@{a,b,c@},0)".
4788 @end example
4789
4790
4791 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4792 @c    node-name, next, previous, up
4793 @section Visitors and Tree Traversal
4794 @cindex tree traversal
4795 @cindex @code{visitor} (class)
4796 @cindex @code{accept()}
4797 @cindex @code{visit()}
4798 @cindex @code{traverse()}
4799 @cindex @code{traverse_preorder()}
4800 @cindex @code{traverse_postorder()}
4801
4802 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4803 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4804 indices with variance you always want the covariant version returned.
4805
4806 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4807 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4808 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4809 with variance, one for plain ones).
4810
4811 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4812 such as the following:
4813
4814 @example
4815 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4816 @{
4817     if (is_a<varidx>(e)) @{
4818         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4819         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4820     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4821         l.append(e);
4822     @} else @{
4823         size_t n = e.nops();
4824         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4825             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4826     @}
4827 @}
4828
4829 lst gather_indices(const ex & e)
4830 @{
4831     lst l;
4832     gather_indices_helper(e, l);
4833     l.sort();
4834     l.unique();
4835     return l;
4836 @}
4837 @end example
4838
4839 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4840 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4841 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4842
4843 @example
4844     if (is_a<idx>(e)) @{
4845       ...
4846     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4847       ...
4848 @end example
4849
4850 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4851 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4852 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4853 executed.
4854
4855 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4856 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4857 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4858 write a function that required a different implementation for nearly
4859 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4860
4861 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4862 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4863 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4864 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4865 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4866 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4867 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4868 presented this would be impractical.
4869
4870 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4871 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4872 variation, described in detail in
4873 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4874 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4875 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4876 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4877 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4878 object that @code{accept()} was being invoked on.
4879
4880 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4881 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4882 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4883 each class.
4884
4885 A call of
4886
4887 @example
4888 void ex::accept(visitor & v) const;
4889 @end example
4890
4891 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4892 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4893 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4894
4895 Here is an example of a visitor:
4896
4897 @example
4898 class my_visitor
4899  : public visitor,          // this is required
4900    public add::visitor,     // visit add objects
4901    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4902    public basic::visitor    // visit basic objects
4903 @{
4904     void visit(const add & x)
4905     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4906
4907     void visit(const numeric & x)
4908     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4909
4910     void visit(const basic & x)
4911     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4912 @};
4913 @end example
4914
4915 which can be used as follows:
4916
4917 @example
4918 ...
4919     symbol x("x");
4920     ex e1 = 42;
4921     ex e2 = 4*x-3;
4922     ex e3 = 8*x;
4923
4924     my_visitor v;
4925     e1.accept(v);
4926      // prints "called with a numeric object"
4927     e2.accept(v);
4928      // prints "called with an add object"
4929     e3.accept(v);
4930      // prints "called with a basic object"
4931 ...
4932 @end example
4933
4934 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4935 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4936
4937 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4938 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4939 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4940 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4941 hierarchies of visitors.
4942
4943 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4944
4945 @example
4946 class gather_indices_visitor
4947  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4948 @{
4949     lst l;
4950
4951     void visit(const idx & i)
4952     @{
4953         l.append(i);
4954     @}
4955
4956     void visit(const varidx & vi)
4957     @{
4958         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4959     @}
4960
4961 public:
4962     const lst & get_result() // utility function
4963     @{
4964         l.sort();
4965         l.unique();
4966         return l;
4967     @}
4968 @};
4969 @end example
4970
4971 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4972 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4973
4974 @example
4975 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4976 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4977 void ex::traverse(visitor & v) const;
4978 @end example
4979
4980 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4981 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4982 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4983 @code{traverse_preorder()}.
4984
4985 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4986 and @code{traverse()}:
4987
4988 @example
4989 lst gather_indices(const ex & e)
4990 @{
4991     gather_indices_visitor v;
4992     e.traverse(v);
4993     return v.get_result();
4994 @}
4995 @end example
4996
4997 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4998 traversal:
4999
5000 @example
5001 lst gather_indices(const ex & e)
5002 @{
5003     gather_indices_visitor v;
5004     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5005          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5006         i->accept(v);
5007     @}
5008     return v.get_result();
5009 @}
5010 @end example
5011
5012
5013 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
5014 @c    node-name, next, previous, up
5015 @section Polynomial arithmetic
5016
5017 @subsection Expanding and collecting
5018 @cindex @code{expand()}
5019 @cindex @code{collect()}
5020 @cindex @code{collect_common_factors()}
5021
5022 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5023 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5024 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5025 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5026 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5027 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5028 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5029 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5030 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5031 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5032 x*z}.
5033
5034 To bring an expression into expanded form, its method
5035
5036 @example
5037 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5038 @end example
5039
5040 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5041 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5042 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5043 orderings of terms in such sums!
5044
5045 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5046 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5047 being polynomials in the remaining variables.  The method
5048 @code{collect()} accomplishes this task:
5049
5050 @example
5051 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5052 @end example
5053
5054 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5055 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5056 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5057 by the @code{distributed} flag.
5058
5059 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5060 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5061 coefficients properly.
5062
5063 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5064 together with @code{find()}:
5065
5066 @example
5067 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5068 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)
5069 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5070 > collect(a,@{p,q@});
5071 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5072 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5073 > collect(a,find(a,sin($1)));
5074 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5075 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5076 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5077 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5078 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5079 @end example
5080
5081 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5082 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5083
5084 @example
5085 ex collect_common_factors(const ex & e);
5086 @end example
5087
5088 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5089 factors which are already explicitly present:
5090
5091 @example
5092 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5093 (x+y)*a
5094 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5095 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5096 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5097 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5098 @end example
5099
5100 @subsection Degree and coefficients
5101 @cindex @code{degree()}
5102 @cindex @code{ldegree()}
5103 @cindex @code{coeff()}
5104
5105 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5106 methods
5107
5108 @example
5109 int ex::degree(const ex & s);
5110 int ex::ldegree(const ex & s);
5111 @end example
5112
5113 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5114 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5115 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5116 an expanded polynomial you use
5117
5118 @example
5119 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5120 @end example
5121
5122 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5123
5124 @example
5125 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5126 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5127 @end example
5128
5129 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5130 respectively.
5131
5132 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5133 polynomial is analyzed:
5134
5135 @example
5136 @{
5137     symbol x("x"), y("y");
5138     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5139                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5140     ex Poly = PolyInp.expand();
5141     
5142     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5143         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5144              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5145     @}
5146     cout << "As polynomial in y: " 
5147          << Poly.collect(y) << endl;
5148 @}
5149 @end example
5150
5151 When run, it returns an output in the following fashion:
5152
5153 @example
5154 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5155 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5156 The x^2-coefficient is -1
5157 The x^3-coefficient is 4*y
5158 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5159 @end example
5160
5161 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5162 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5163 within the user's sphere of influence.
5164
5165 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5166 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5167 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5168 constants, functions and indexed objects as well:
5169
5170 @example
5171 @{
5172     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5173     idx i(symbol("i"), 3);
5174
5175     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5176     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5177      // -> 4
5178     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5179      // -> -4*cos(x)
5180
5181     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5182     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5183     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5184      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5185 @}
5186 @end example
5187
5188
5189 @subsection Polynomial division
5190 @cindex polynomial division
5191 @cindex quotient
5192 @cindex remainder
5193 @cindex pseudo-remainder
5194 @cindex @code{quo()}
5195 @cindex @code{rem()}
5196 @cindex @code{prem()}
5197 @cindex @code{divide()}
5198
5199 The two functions
5200
5201 @example
5202 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5203 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5204 @end example
5205
5206 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5207 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5208
5209 The additional function
5210
5211 @example
5212 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5213 @end example
5214
5215 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5216 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5217
5218 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5219
5220 @example
5221 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5222 @end example
5223
5224 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5225 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5226 in which case the value of @code{q} is undefined.
5227
5228
5229 @subsection Unit, content and primitive part
5230 @cindex @code{unit()}
5231 @cindex @code{content()}
5232 @cindex @code{primpart()}
5233 @cindex @code{unitcontprim()}
5234
5235 The methods
5236
5237 @example
5238 ex ex::unit(const ex & x);
5239 ex ex::content(const ex & x);
5240 ex ex::primpart(const ex & x);
5241 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5242 @end example
5243
5244 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5245 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5246 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5247 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5248 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5249 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5250 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5251 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5252
5253 Additionally, the method
5254
5255 @example
5256 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5257 @end example
5258
5259 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5260 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5261
5262
5263 @subsection GCD, LCM and resultant
5264 @cindex GCD
5265 @cindex LCM
5266 @cindex @code{gcd()}
5267 @cindex @code{lcm()}
5268
5269 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5270 multiple have the synopsis
5271
5272 @example
5273 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5274 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5275 @end example
5276
5277 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5278 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5279 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5280 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5281 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5282 the coefficients must be rationals.
5283
5284 @example
5285 #include <ginac/ginac.h>
5286 using namespace GiNaC;
5287
5288 int main()
5289 @{
5290     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5291     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5292     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5293
5294     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5295     // x + 5*y + 4*z
5296     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5297     // 4*x*y^2 + 13*y*x*z + 20*y^3 + 81*y^2*z + 67*y*z^2 + 3*x*z^2 + 12*z^3
5298 @}
5299 @end example
5300
5301 @cindex resultant
5302 @cindex @code{resultant()}
5303
5304 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5305 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5306 expressions. The function has the interface
5307
5308 @example
5309 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5310 @end example
5311
5312 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5313 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5314 @code{y}, respectively:
5315
5316 @example
5317 #include <ginac/ginac.h>
5318 using namespace GiNaC;
5319
5320 int main()
5321 @{
5322     symbol x("x"), y("y");
5323
5324     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5325     ex r;
5326     
5327     r = resultant(e1, e2, x); 
5328     // -> 1+2*y^6
5329     r = resultant(e1, e2, y); 
5330     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5331 @}
5332 @end example
5333
5334 @subsection Square-free decomposition
5335 @cindex square-free decomposition
5336 @cindex factorization
5337 @cindex @code{sqrfree()}
5338
5339 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5340 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5341 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5342 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5343 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5344 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5345 one, too:
5346 @example
5347 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5348 @end example
5349 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5350 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5351 some care with subsequent processing of the result:
5352 @example
5353     ...
5354     symbol x("x"), y("y");
5355     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5356
5357     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5358      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5359
5360     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5361      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5362
5363     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5364      // -> depending on luck, any of the above
5365     ...
5366 @end example
5367 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5368 with this method.
5369
5370
5371 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5372 @c    node-name, next, previous, up
5373 @section Rational expressions
5374
5375 @subsection The @code{normal} method
5376 @cindex @code{normal()}
5377 @cindex simplification
5378 @cindex temporary replacement
5379
5380 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5381 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5382 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5383 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5384 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5385 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5386
5387 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5388 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5389 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5390 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5391 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5392 @code{.to_rational()}, described below.
5393
5394 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5395 simplified in this little code snippet:
5396
5397 @example
5398 @{
5399     symbol x("x");
5400     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5401     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5402     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5403     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5404 @}
5405 @end example
5406
5407 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5408 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5409 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5410
5411
5412 @subsection Numerator and denominator
5413 @cindex numerator
5414 @cindex denominator
5415 @cindex @code{numer()}
5416 @cindex @code{denom()}
5417 @cindex @code{numer_denom()}
5418
5419 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5420
5421 @example
5422 ex ex::numer();
5423 ex ex::denom();
5424 ex ex::numer_denom();
5425 @end example
5426
5427 These functions will first normalize the expression as described above and
5428 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5429 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5430 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5431
5432
5433 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5434 @cindex @code{to_polynomial()}
5435 @cindex @code{to_rational()}
5436
5437 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5438 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5439 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5440 above. You do this by calling
5441
5442 @example
5443 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5444 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5445 @end example
5446 or
5447 @example
5448 ex ex::to_rational(exmap & m);
5449 ex ex::to_rational(lst & l);
5450 @end example
5451
5452 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5453 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5454 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5455 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5456 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5457 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5458
5459 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5460 is probably best illustrated with an example:
5461
5462 @example
5463 @{
5464     symbol x("x"), y("y");
5465     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5466     cout << a << endl;
5467
5468     lst lp;
5469     ex p = a.to_polynomial(lp);
5470     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5471      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5472      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5473
5474     lst lr;
5475     ex r = a.to_rational(lr);
5476     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5477      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5478      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5479 @}
5480 @end example
5481
5482 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5483
5484 @example
5485 @{
5486     symbol x("x");
5487     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5488     ex b = sin(x) + cos(x);
5489     ex q;
5490     exmap m;
5491     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5492     cout << q.subs(m) << endl;
5493 @}
5494 @end example
5495
5496
5497 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5498 @c    node-name, next, previous, up
5499 @section Symbolic differentiation
5500 @cindex differentiation
5501 @cindex @code{diff()}
5502 @cindex chain rule
5503 @cindex product rule
5504
5505 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5506 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5507 the derivatives of all the monomials:
5508
5509 @example
5510 @{
5511     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5512     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5513
5514     cout << P.diff(x,2) << endl;
5515      // -> 20*x^3 + 2
5516     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5517      // -> 1
5518     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5519      // -> 0
5520 @}
5521 @end example
5522
5523 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5524 returns the @var{n}th derivative.
5525
5526 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5527 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5528 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5529 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5530 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5531 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5532 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5533 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5534 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5535 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5536 lines:
5537
5538 @cindex Euler numbers
5539 @example
5540 #include <ginac/ginac.h>
5541 using namespace GiNaC;
5542
5543 ex EulerNumber(unsigned n)
5544 @{
5545     symbol x;
5546     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5547     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5548 @}
5549
5550 int main()
5551 @{
5552     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5553         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5554     return 0;
5555 @}
5556 @end example
5557
5558 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5559 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5560 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5561
5562
5563 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5564 @c    node-name, next, previous, up
5565 @section Series expansion
5566 @cindex @code{series()}
5567 @cindex Taylor expansion
5568 @cindex Laurent expansion
5569 @cindex @code{pseries} (class)
5570 @cindex @code{Order()}
5571
5572 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5573 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5574 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5575 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5576 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5577 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5578 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5579 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5580 term).  A sample application from special relativity could read:
5581
5582 @example
5583 #include <ginac/ginac.h>
5584 using namespace std;
5585 using namespace GiNaC;
5586
5587 int main()
5588 @{
5589     symbol v("v"), c("c");
5590     
5591     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5592     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5593     
5594     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5595          << mass_nonrel << endl;
5596     
5597     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5598          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5599 @}
5600 @end example
5601
5602 Only calling the series method makes the last output simplify to
5603 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5604 series raised to the power @math{-2}.
5605
5606 @cindex Machin's formula
5607 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5608 value of Archimedes' constant
5609 @tex
5610 $\pi$
5611 @end tex
5612 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5613 using John Machin's amazing formula
5614 @tex
5615 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5616 @end tex
5617 @ifnottex
5618 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5619 @end ifnottex
5620 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5621 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5622 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5623 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5624 order term with it and the question arises what the system is supposed
5625 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5626 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5627 term off:
5628
5629 @example
5630 #include <ginac/ginac.h>
5631 using namespace GiNaC;
5632
5633 ex machin_pi(int degr)
5634 @{
5635     symbol x;
5636     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5637     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5638                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5639     return pi_approx;
5640 @}
5641
5642 int main()
5643 @{
5644     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5645     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5646     ex pi_frac;
5647     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5648         pi_frac = machin_pi(i);
5649         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5650              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5651     @}
5652     return 0;
5653 @}
5654 @end example
5655
5656 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5657 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5658 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5659 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5660 program, it will type out:
5661
5662 @example
5663 2:      3804/1195
5664         3.1832635983263598326
5665 4:      5359397032/1706489875
5666         3.1405970293260603143
5667 6:      38279241713339684/12184551018734375
5668         3.141621029325034425
5669 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5670         3.141591772182177295
5671 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5672         3.1415926824043995174
5673 @end example
5674
5675
5676 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5677 @c    node-name, next, previous, up
5678 @section Symmetrization
5679 @cindex @code{symmetrize()}
5680 @cindex @code{antisymmetrize()}
5681 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5682
5683 The three methods
5684
5685 @example
5686 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5687 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5688 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5689 @end example
5690
5691 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5692 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5693 weighted by the number of permutations.
5694
5695 The three additional methods
5696
5697 @example
5698 ex ex::symmetrize();
5699 ex ex::antisymmetrize();
5700 ex ex::symmetrize_cyclic();
5701 @end example
5702
5703 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5704
5705 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5706 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5707
5708 @example
5709 @{
5710     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5711     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5712                                            
5713     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5714      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5715     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5716      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5717     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5718      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5719 @}
5720 @end example
5721
5722 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5723 @c    node-name, next, previous, up
5724 @section Predefined mathematical functions
5725 @c
5726 @subsection Overview
5727
5728 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5729
5730 @cartouche
5731 @multitable @columnfractions .30 .70
5732 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5733 @item @code{abs(x)}
5734 @tab absolute value
5735 @cindex @code{abs()}
5736 @item @code{csgn(x)}
5737 @tab complex sign
5738 @cindex @code{conjugate()}
5739 @item @code{conjugate(x)}
5740 @tab complex conjugation
5741 @cindex @code{csgn()}
5742 @item @code{sqrt(x)}
5743 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5744 @cindex @code{sqrt()}
5745 @item @code{sin(x)}
5746 @tab sine
5747 @cindex @code{sin()}
5748 @item @code{cos(x)}
5749 @tab cosine
5750 @cindex @code{cos()}
5751 @item @code{tan(x)}
5752 @tab tangent
5753 @cindex @code{tan()}
5754 @item @code{asin(x)}
5755 @tab inverse sine
5756 @cindex @code{asin()}
5757 @item @code{acos(x)}
5758 @tab inverse cosine
5759 @cindex @code{acos()}
5760 @item @code{atan(x)}
5761 @tab inverse tangent
5762 @cindex @code{atan()}
5763 @item @code{atan2(y, x)}
5764 @tab inverse tangent with two arguments
5765 @item @code{sinh(x)}
5766 @tab hyperbolic sine
5767 @cindex @code{sinh()}
5768 @item @code{cosh(x)}
5769 @tab hyperbolic cosine
5770 @cindex @code{cosh()}
5771 @item @code{tanh(x)}
5772 @tab hyperbolic tangent
5773 @cindex @code{tanh()}
5774 @item @code{asinh(x)}
5775 @tab inverse hyperbolic sine
5776 @cindex @code{asinh()}
5777 @item @code{acosh(x)}
5778 @tab inverse hyperbolic cosine
5779 @cindex @code{acosh()}
5780 @item @code{atanh(x)}
5781 @tab inverse hyperbolic tangent
5782 @cindex @code{atanh()}
5783 @item @code{exp(x)}
5784 @tab exponential function
5785 @cindex @code{exp()}
5786 @item @code{log(x)}
5787 @tab natural logarithm
5788 @cindex @code{log()}
5789 @item @code{Li2(x)}
5790 @tab dilogarithm
5791 @cindex @code{Li2()}
5792 @item @code{Li(m, x)}
5793 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5794 @cindex @code{Li()}
5795 @item @code{G(a, y)}
5796 @tab multiple polylogarithm
5797 @cindex @code{G()}
5798 @item @code{G(a, s, y)}
5799 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5800 @cindex @code{G()}
5801 @item @code{S(n, p, x)}
5802 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5803 @cindex @code{S()}
5804 @item @code{H(m, x)}
5805 @tab harmonic polylogarithm
5806 @cindex @code{H()}
5807 @item @code{zeta(m)}
5808 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5809 @cindex @code{zeta()}
5810 @item @code{zeta(m, s)}
5811 @tab alternating Euler sum
5812 @cindex @code{zeta()}
5813 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5814 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5815 @item @code{tgamma(x)}
5816 @tab gamma function
5817 @cindex @code{tgamma()}
5818 @cindex gamma function
5819 @item @code{lgamma(x)}
5820 @tab logarithm of gamma function
5821 @cindex @code{lgamma()}
5822 @item @code{beta(x, y)}
5823 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5824 @cindex @code{beta()}
5825 @item @code{psi(x)}
5826 @tab psi (digamma) function
5827 @cindex @code{psi()}
5828 @item @code{psi(n, x)}
5829 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5830 @item @code{factorial(n)}
5831 @tab factorial function @math{n!}
5832 @cindex @code{factorial()}
5833 @item @code{binomial(n, k)}
5834 @tab binomial coefficients
5835 @cindex @code{binomial()}
5836 @item @code{Order(x)}
5837 @tab order term function in truncated power series
5838 @cindex @code{Order()}
5839 @end multitable
5840 @end cartouche
5841
5842 @cindex branch cut
5843 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5844 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5845 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5846 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5847 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5848 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5849 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5850 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5851 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5852 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5853 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5854 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5855 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5856 compatible with C99.
5857
5858 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5859 @c    node-name, next, previous, up
5860 @subsection Multiple polylogarithms
5861
5862 @cindex polylogarithm
5863 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5864 @cindex harmonic polylogarithm
5865 @cindex multiple zeta value
5866 @cindex alternating Euler sum
5867 @cindex multiple polylogarithm
5868
5869 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5870 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5871 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5872 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5873 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5874 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5875 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5876 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5877 notations are more natural to the series representation or the integral
5878 representation, respectively.
5879
5880 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5881 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5882 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5883
5884 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5885 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5886 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5887 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5888 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5889 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5890 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5891 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5892 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5893 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5894 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5895
5896 The functions print in LaTeX format as
5897 @tex
5898 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5899 @end tex
5900 @tex
5901 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5902 @end tex
5903 @tex
5904 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5905 @end tex
5906 @tex
5907 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5908 @end tex
5909 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5910 are printed with a line above, e.g.
5911 @tex
5912 $\zeta(5,\overline{2})$.
5913 @end tex
5914 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5915
5916 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5917 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5918 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5919 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5920
5921 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5922 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5923 the series representation. This means
5924 @tex
5925 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5926 @end tex
5927 @tex
5928 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5929 @end tex
5930 @tex
5931 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5932 @end tex
5933 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5934 is reversed.
5935
5936 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5937 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5938 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5939 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5940 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5941 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5942 @tex
5943 $\zeta(\overline{3},4)$
5944 @end tex
5945 and
5946 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5947 @tex
5948 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5949 @end tex
5950 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5951 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5952 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5953 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5954 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5955 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5956 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5957
5958 @example
5959 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5960 S(2,2,x)
5961 > H(@{-3,2@},1);
5962 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5963 > S(3,1,1);
5964 1/90*Pi^4
5965 @end example
5966
5967 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5968 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5969 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5970 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5971 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5972 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5973
5974 @example
5975 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5976 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5977 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5978 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5979 @end example
5980
5981 Every function can be numerically evaluated for
5982 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5983 global variable @code{Digits}:
5984
5985 @example
5986 > Digits=100;
5987 100
5988 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5989 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5990 @end example
5991
5992 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5993 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5994
5995 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5996 unevaluated, e.g.
5997 @tex
5998 $\zeta(1)$.
5999 @end tex
6000 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6001 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6002 cancellations of divergencies happen.
6003
6004 Useful publications:
6005
6006 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6007 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6008
6009 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6010 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6011
6012 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6013 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6014
6015 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6016 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6017
6018 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
6019 @c    node-name, next, previous, up
6020 @section Complex Conjugation
6021 @c
6022 @cindex @code{conjugate()}
6023
6024 The method
6025
6026 @example
6027 ex ex::conjugate();
6028 @end example
6029
6030 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
6031 conjugation gives the expected results:
6032
6033 @example
6034 @{
6035     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6036     symbol x("x");
6037     realsymbol y("y");
6038                                            
6039     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6040      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6041     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6042      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6043 @}
6044 @end example
6045
6046 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
6047 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
6048 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
6049 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
6050 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
6051
6052 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
6053 @c    node-name, next, previous, up
6054 @section Solving Linear Systems of Equations
6055 @cindex @code{lsolve()}
6056
6057 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6058 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6059 needs to be solved:
6060
6061 @example
6062 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6063           unsigned options = solve_algo::automatic);
6064 @end example
6065
6066 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6067 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6068 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
6069 @code{lst}).
6070
6071 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6072 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6073
6074 @example
6075 @{
6076     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6077     lst eqns, vars;
6078     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6079     vars = x, y;
6080     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6081      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6082 @end example
6083
6084 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6085 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6086 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6087 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6088 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6089 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6090 around that method.
6091
6092
6093 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6094 @c    node-name, next, previous, up
6095 @section Input and output of expressions
6096 @cindex I/O
6097
6098 @subsection Expression output
6099 @cindex printing
6100 @cindex output of expressions
6101
6102 Expressions can simply be written to any stream:
6103
6104 @example
6105 @{
6106     symbol x("x");
6107     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6108     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6109     // ...
6110 @end example
6111
6112 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6113 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6114 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6115 is printed as @samp{x^2}).
6116
6117 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6118 a set of stream manipulators;
6119
6120 @example
6121 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6122 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6123 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6124 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6125 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6126 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6127 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6128 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6129 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6130 @end example
6131
6132 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6133 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6134 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6135
6136 @cindex @code{dflt}
6137 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6138 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6139
6140 @example
6141     // ...
6142     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6143                               // now on
6144     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6145     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6146     cout << dflt;             // revert to default output format
6147     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6148     // ...
6149 @end example
6150
6151 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6152 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6153
6154 @example
6155     // ...
6156     ostringstream s;
6157     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6158     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6159     // ...
6160 @end example
6161
6162 @cindex @code{csrc}
6163 @cindex @code{csrc_float}
6164 @cindex @code{csrc_double}
6165 @cindex @code{csrc_cl_N}
6166 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6167 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6168 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6169 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6170 classes provided by the CLN library):
6171
6172 @example
6173     // ...
6174     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6175     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6176     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6177     // ...
6178 @end example
6179
6180 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6181 @code{x*x}):
6182
6183 @example
6184 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6185 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6186 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6187 @end example
6188
6189 @cindex @code{tree}
6190 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6191 expression for debugging purposes:
6192
6193 @example
6194     // ...
6195     cout << tree << e;
6196 @}
6197 @end example
6198
6199 produces
6200
6201 @example
6202 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6203     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6204         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6205         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6206     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6207     -----
6208     overall_coeff
6209     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6210     =====
6211 @end example
6212
6213 @cindex @code{latex}
6214 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6215 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6216 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6217 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6218 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6219 constructor.
6220
6221 For example, the code snippet
6222
6223 @example
6224 @{
6225     symbol x("x", "\\circ");
6226     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6227     cout << latex << e << endl;
6228 @}
6229 @end example
6230
6231 will print
6232
6233 @example
6234     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6235     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6236 @end example
6237
6238 @cindex @code{index_dimensions}
6239 @cindex @code{no_index_dimensions}
6240 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6241 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6242 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6243 formats:
6244
6245 @example
6246 @{
6247     symbol x("x"), y("y");
6248     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6249     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6250
6251     cout << e << endl;
6252      // prints 'x~mu*y~nu'
6253     cout << index_dimensions << e << endl;
6254      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6255     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6256      // prints 'x~mu*y~nu'
6257 @}
6258 @end example
6259
6260
6261 @cindex Tree traversal
6262 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6263 with other algebra systems or for producing code for different
6264 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6265
6266 @example
6267 static void my_print(const ex & e)
6268 @{
6269     if (is_a<function>(e))
6270         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6271     else
6272         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6273     cout << "(";
6274     size_t n = e.nops();
6275     if (n)
6276         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6277             my_print(e.op(i));
6278             if (i != n-1)
6279                 cout << ",";
6280         @}
6281     else
6282         cout << e;
6283     cout << ")";
6284 @}
6285
6286 int main()
6287 @{
6288     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6289     return 0;
6290 @}
6291 @end example
6292
6293 This will produce
6294
6295 @example
6296 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6297 symbol(y))),numeric(-2)))
6298 @end example
6299
6300 If you need an output format that makes it possible to accurately
6301 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6302 object factory, you should consider storing the expression in an
6303 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6304 See the section on archiving for more information.
6305
6306
6307 @subsection Expression input
6308 @cindex input of expressions
6309
6310 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6311 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6312 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6313 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6314 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6315
6316 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6317 list of symbols to be used:
6318
6319 @example
6320 @{
6321     symbol x("x"), y("y");
6322     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6323 @}
6324 @end example
6325
6326 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6327 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6328 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6329 the list it will throw an exception.
6330
6331 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6332
6333 @example
6334 #include <iostream>
6335 #include <string>
6336 #include <stdexcept>
6337 #include <ginac/ginac.h>
6338 using namespace std;
6339 using namespace GiNaC;
6340
6341 int main()
6342 @{
6343     symbol x("x");
6344     string s;
6345
6346     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6347     getline(cin, s);
6348
6349     try @{
6350         ex e(s, lst(x));
6351         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6352         cout << e.diff(x) << ".\n";
6353     @} catch (exception &p) @{
6354         cerr << p.what() << endl;
6355     @}
6356 @}
6357 @end example
6358
6359
6360 @subsection Archiving
6361 @cindex @code{archive} (class)
6362 @cindex archiving
6363
6364 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6365 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6366 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6367 expression a unique name:
6368
6369 @example
6370 #include <fstream>
6371 using namespace std;
6372 #include <ginac/ginac.h>
6373 using namespace GiNaC;
6374
6375 int main()
6376 @{
6377     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6378
6379     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6380     ex bar = foo + 1;
6381
6382     archive a;
6383     a.archive_ex(foo, "foo");
6384     a.archive_ex(bar, "the second one");
6385     // ...
6386 @end example
6387
6388 The archive can then be written to a file:
6389
6390 @example
6391     // ...
6392     ofstream out("foobar.gar");
6393     out << a;
6394     out.close();
6395     // ...
6396 @end example
6397
6398 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6399 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6400
6401 @cindex @command{viewgar}
6402 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6403 the contents of GiNaC archive files:
6404
6405 @example
6406 $ viewgar foobar.gar
6407 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6408 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6409 @end example
6410
6411 The point of writing archive files is of course that they can later be
6412 read in again:
6413
6414 @example
6415     // ...
6416     archive a2;
6417     ifstream in("foobar.gar");
6418     in >> a2;
6419     // ...
6420 @end example
6421
6422 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6423
6424 @example
6425     // ...
6426     lst syms;
6427     syms = x, y;
6428
6429     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6430     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6431
6432     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6433     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6434     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6435 @}
6436 @end example
6437
6438 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6439 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6440 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6441 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6442 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6443 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6444 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6445 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6446
6447 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6448 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6449 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6450 functions that let you access the stored properties:
6451
6452 @example
6453 static void my_print2(const archive_node & n)
6454 @{
6455     string class_name;
6456     n.find_string("class", class_name);
6457     cout << class_name << "(";
6458
6459     archive_node::propinfovector p;
6460     n.get_properties(p);
6461
6462     size_t num = p.size();
6463     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6464         const string &name = p[i].name;
6465         if (name == "class")
6466             continue;
6467         cout << name << "=";
6468
6469         unsigned count = p[i].count;
6470         if (count > 1)
6471             cout << "@{";
6472
6473         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6474             switch (p[i].type) @{
6475                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6476                     bool x;
6477                     n.find_bool(name, x, j);
6478                     cout << (x ? "true" : "false");
6479                     break;
6480                 @}
6481                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6482                     unsigned x;
6483                     n.find_unsigned(name, x, j);
6484                     cout << x;
6485                     break;
6486                 @}
6487                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6488                     string x;
6489                     n.find_string(name, x, j);
6490                     cout << '\"' << x << '\"';
6491                     break;
6492                 @}
6493                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6494                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6495                     my_print2(x);
6496                     break;
6497                 @}
6498             @}
6499
6500             if (j != count-1)
6501                 cout << ",";
6502         @}
6503
6504         if (count > 1)
6505             cout << "@}";
6506
6507         if (i != num-1)
6508             cout << ",";
6509     @}
6510
6511     cout << ")";
6512 @}
6513
6514 int main()
6515 @{
6516     ex e = pow(2, x) - y;
6517     archive ar(e, "e");
6518     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6519     return 0;
6520 @}
6521 @end example
6522
6523 This will produce:
6524
6525 @example
6526 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6527 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6528 overall_coeff=numeric(number="0"))
6529 @end example
6530
6531 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6532 class may change between GiNaC versions.
6533
6534
6535 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6536 @c    node-name, next, previous, up
6537 @chapter Extending GiNaC
6538
6539 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6540 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6541 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6542 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6543 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6544 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6545
6546 @menu
6547 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6548 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6549 * Printing::                         Adding new output formats.
6550 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6551 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6552 @end menu
6553
6554
6555 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6556 @c    node-name, next, previous, up
6557 @section What doesn't belong into GiNaC
6558
6559 @cindex @command{ginsh}
6560 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6561 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6562 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6563 language.  There are no loops or conditional expressions in
6564 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6565 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6566 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6567 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6568 the future.
6569
6570 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6571 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6572 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6573 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6574 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6575 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6576 provided by CLN are much better suited.
6577
6578
6579 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6580 @c    node-name, next, previous, up
6581 @section Symbolic functions
6582
6583 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6584 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6585 two preprocessor macros:
6586
6587 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6588 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6589 @example
6590 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6591 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6592 @end example
6593
6594 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6595 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6596 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6597 @code{function} object that represents your function.
6598
6599 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6600 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6601 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6602 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6603 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6604 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6605 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6606 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6607
6608 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6609 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6610 done our best to avoid macros where we can.)
6611
6612 @subsection A minimal example
6613
6614 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6615 that is not further evaluated:
6616
6617 @example
6618 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6619
6620 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6621 @end example
6622
6623 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6624 in algebraic expressions:
6625
6626 @example
6627 @{
6628     ...
6629     symbol x("x");
6630     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6631     cout << e << endl;
6632      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6633     ...
6634 @}
6635 @end example
6636
6637 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6638 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6639 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6640 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6641
6642 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6643 example of how to make an "intelligent" function.
6644
6645 @subsection The cosine function
6646
6647 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6648
6649 @example
6650 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6651 @end example
6652
6653 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6654 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6655 this function in expressions.
6656
6657 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6658 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6659
6660 @example
6661 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6662                        evalf_func(cos_evalf).
6663                        derivative_func(cos_deriv).
6664                        latex_name("\\cos"));
6665 @end example
6666
6667 There are four options defined for the cosine function. One of them
6668 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6669 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6670 function are defined.
6671
6672 @cindex @code{hold()}
6673 @cindex evaluation
6674 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6675 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6676 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6677 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6678 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6679 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6680 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6681 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6682 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6683 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6684 somewhere.
6685
6686 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6687 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6688 what is going on):
6689
6690 @example
6691 static ex cos_eval(const ex & x)
6692 @{
6693     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6694         return 1;
6695     else if ("x is a multiple of Pi")
6696         return -1;
6697     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6698         return 0;
6699     // more rules...
6700
6701     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6702         return y;
6703     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6704         return sqrt(1-y^2);
6705     // more rules...
6706
6707     else
6708         return cos(x).hold();
6709 @}
6710 @end example
6711
6712 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6713
6714 @example
6715 @{
6716     ...
6717     e = cos(Pi);
6718      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6719      // the actual expression
6720     cout << e << endl;
6721      // prints '-1'
6722     ...
6723 @}
6724 @end example
6725
6726 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6727 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6728 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6729 with @code{.hold()}.
6730
6731 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6732 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6733 different function:
6734
6735 @example
6736 static ex cos_evalf(const ex & x)
6737 @{
6738     if (is_a<numeric>(x))
6739         return cos(ex_to<numeric>(x));
6740     else
6741         return cos(x).hold();
6742 @}
6743 @end example
6744
6745 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6746 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6747 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6748 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6749 function would require it in this place.
6750
6751 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6752 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6753 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6754 @code{ex::diff}):
6755
6756 @example
6757 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6758 @{
6759     return -sin(x);
6760 @}
6761 @end example
6762
6763 @cindex product rule
6764 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6765 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6766 case the function has more than one parameter, and its main application
6767 is for correct handling of the chain rule.
6768
6769 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6770 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6771 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6772 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6773
6774 @example
6775 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6776                      int order, unsigned options)
6777 @{
6778     // Find the actual expansion point
6779     const ex x_pt = x.subs(rel);
6780
6781     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6782         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6783
6784     // On a pole, expand sin()/cos()
6785     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6786 @}
6787 @end example
6788
6789 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6790 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6791
6792 @subsection Function options
6793
6794 GiNaC functions understand several more options which are always
6795 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6796 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6797 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6798 functions without any special options.
6799
6800 @example
6801 eval_func(<C++ function>)
6802 evalf_func(<C++ function>)
6803 derivative_func(<C++ function>)
6804 series_func(<C++ function>)
6805 conjugate_func(<C++ function>)
6806 @end example
6807
6808 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6809 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6810 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6811 @code{diff()} and @code{series()}.
6812
6813 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6814 automatic evaluation is desired or possible.
6815
6816 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6817 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6818 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6819 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6820 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6821 suitable transformation.
6822
6823 @example
6824 latex_name(const string & n)
6825 @end example
6826
6827 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6828 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6829
6830 @example
6831 do_not_evalf_params()
6832 @end example
6833
6834 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6835 function before calling the @code{evalf_func()}.
6836
6837 @example
6838 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6839 @end example
6840
6841 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6842 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6843 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6844 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6845 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6846 commutation properties of their first argument.
6847
6848 @example
6849 set_symmetry(const symmetry & s)
6850 @end example
6851
6852 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6853 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6854 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6855 symmetric functions into a canonical order.
6856
6857 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6858 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6859 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6860 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6861 with the
6862
6863 @example
6864 print_func<C>(<C++ function>)
6865 @end example
6866
6867 option which is explained in the next section.
6868
6869 @subsection Functions with a variable number of arguments
6870
6871 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6872 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6873 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6874 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6875 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6876
6877 It is also possible to define functions that accept a different number of
6878 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6879 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6880 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6881 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6882 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6883 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6884 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6885 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6886
6887
6888 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6889 @c    node-name, next, previous, up
6890 @section GiNaC's expression output system
6891
6892 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6893 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6894 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6895 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6896 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6897 functions.
6898
6899 @cindex @code{print_context} (class)
6900 @cindex @code{print_dflt} (class)
6901 @cindex @code{print_latex} (class)
6902 @cindex @code{print_tree} (class)
6903 @cindex @code{print_csrc} (class)
6904 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6905 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6906 header file:
6907
6908 @table @code
6909 @item print_dflt
6910 the default output format
6911 @item print_latex
6912 output in LaTeX mathematical mode
6913 @item print_tree
6914 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6915 @item print_csrc
6916 the base class for C source output
6917 @item print_csrc_float
6918 C source output using the @code{float} type
6919 @item print_csrc_double
6920 C source output using the @code{double} type
6921 @item print_csrc_cl_N
6922 C source output using CLN types
6923 @end table
6924
6925 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6926
6927 @example
6928 class print_context
6929 @{
6930     ...
6931 public:
6932     std::ostream & s;
6933     unsigned options;
6934 @};
6935 @end example
6936
6937 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6938 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6939 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6940 to print the index dimension which is normally hidden.
6941
6942 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6943 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6944 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6945 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6946
6947 @cindex @code{print()}
6948 @example
6949 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6950 @end example
6951
6952 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6953 top-level algebraic object contained in the expression.
6954
6955 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6956 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6957 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6958 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6959 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6960 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6961 (single) virtual function dispatch.
6962
6963 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6964 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6965 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6966 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6967 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6968 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6969 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6970 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6971 object's class name enclosed in square brackets).
6972
6973 You can think of the print methods of all the different classes and output
6974 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6975 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6976 classes.
6977
6978 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6979 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6980 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6981 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6982 methods at run-time).
6983
6984 @subsection Print methods for classes
6985
6986 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6987 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6988 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6989 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6990 can also be used to override existing methods dynamically.
6991
6992 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6993 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6994 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6995 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6996 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6997 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6998 the class is the one being implemented by
6999 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7000
7001 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7002 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7003 @code{unsigned}.
7004
7005 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7006 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7007 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7008 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7009 private and protected members of @code{T}.
7010
7011 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7012 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7013 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7014 purposes if you write your own output formats.
7015
7016 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7017 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7018 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7019 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7020
7021 @example
7022 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7023                              const print_latex & c,
7024                              unsigned level)
7025 @{
7026     // get the precedence of the 'power' class
7027     unsigned power_prec = p.precedence();
7028
7029     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7030     // we need parentheses around the power
7031     if (level >= power_prec)
7032         c.s << '(';
7033
7034     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7035     // separated by an uparrow
7036     c.s << '@{';
7037     p.op(0).print(c, power_prec);
7038     c.s << "@}\\uparrow@{";
7039     p.op(1).print(c, power_prec);
7040     c.s << '@}';
7041
7042     // don't forget the closing parenthesis
7043     if (level >= power_prec)
7044         c.s << ')';
7045 @}
7046                                                                                 
7047 int main()
7048 @{
7049     // a sample expression
7050     symbol x("x"), y("y");
7051     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7052
7053     // switch to LaTeX mode
7054     cout << latex;
7055
7056     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7057     cout << e << endl;
7058
7059     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7060     // our own one
7061     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7062
7063     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7064     //              \uparrow@{2@}@}"
7065     cout << e << endl;
7066 @}
7067 @end example
7068
7069 Some notes:
7070
7071 @itemize
7072
7073 @item
7074 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7075 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7076
7077 @item
7078 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7079 @code{power} objects for the purpose of printing.
7080
7081 @item
7082 The output of products including negative powers as fractions is also
7083 controlled by the @code{mul} class.
7084
7085 @item
7086 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7087 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7088
7089 @end itemize
7090
7091 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7092 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7093 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7094 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7095 sources, find the method that is installed at startup
7096 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7097 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7098
7099 @subsection Print methods for functions
7100
7101 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7102 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7103 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7104 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7105 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7106
7107 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7108
7109 @example
7110 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7111 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7112                                                                                 
7113 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7114 @{
7115     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7116 @}
7117                                                                                 
7118 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7119 @{
7120     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7121 @}
7122                                                                                 
7123 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7124                        evalf_func(abs_evalf).
7125                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7126                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7127                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7128 @end example
7129
7130 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7131 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7132
7133 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7134
7135 @subsection Adding new output formats
7136
7137 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7138 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7139 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7140 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7141 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7142 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7143 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7144 options value.
7145
7146 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7147
7148 @example
7149 class print_myformat : public print_dflt
7150 @{
7151     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7152 public:
7153     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7154      : print_dflt(os, opt) @{@}
7155 @};
7156
7157 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7158
7159 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7160 @end example
7161
7162 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7163 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7164 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7165 format are implemented as print methods, as described above.
7166
7167 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7168 exactly like GiNaC's default output format:
7169
7170 @example
7171 @{
7172     symbol x("x");
7173     ex e = pow(x, 2) + 1;
7174
7175     // this prints "1+x^2"
7176     cout << e << endl;
7177     
7178     // this also prints "1+x^2"
7179     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7180
7181     ...
7182 @}
7183 @end example
7184
7185 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7186 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7187
7188 @example
7189 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7190 // example above for explanations.
7191 void print_power_as_myformat(const power & p,
7192                              const print_myformat & c,
7193                              unsigned level)
7194 @{
7195     unsigned power_prec = p.precedence();
7196     if (level >= power_prec)
7197         c.s << '(';
7198     p.op(0).print(c, power_prec);
7199     c.s << "**";
7200     p.op(1).print(c, power_prec);
7201     if (level >= power_prec)
7202         c.s << ')';
7203 @}
7204
7205 @{
7206     ...
7207     // install a new print method for power objects
7208     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7209
7210     // now this prints "1+x**2"
7211     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7212
7213     // but the default format is still "1+x^2"
7214     cout << e << endl;
7215 @}
7216 @end example
7217
7218
7219 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7220 @c    node-name, next, previous, up
7221 @section Structures
7222
7223 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7224 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7225 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7226 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7227 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7228
7229 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7230 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7231 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7232 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7233 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7234 read both sections because many common concepts and member functions are
7235 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7236 is most suited to your needs.
7237
7238 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7239 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7240 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7241
7242 @subsection Example: scalar products
7243
7244 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7245 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7246 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7247 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7248 product in a C++ @code{struct}:
7249
7250 @example
7251 #include <iostream>
7252 using namespace std;
7253
7254 #include <ginac/ginac.h>
7255 using namespace GiNaC;
7256
7257 struct sprod_s @{
7258     ex left, right;
7259
7260     sprod_s() @{@}
7261     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7262 @};
7263 @end example
7264
7265 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7266 data structure, we need only one line:
7267
7268 @example
7269 typedef structure<sprod_s> sprod;
7270 @end example
7271
7272 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7273 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7274 expressions like any other GiNaC class:
7275
7276 @example
7277 ...
7278     symbol a("a"), b("b");
7279     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7280 ...
7281 @end example
7282
7283 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7284 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7285 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7286 constructed from an @code{sprod_s} object.
7287
7288 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7289 you could define a little wrapper function like this:
7290
7291 @example
7292 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7293 @{
7294     return sprod(sprod_s(left, right));
7295 @}
7296 @end example
7297
7298 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7299 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7300 @code{get_struct()}:
7301
7302 @example
7303 ...
7304     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7305      // -> a
7306     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7307      // -> b
7308 ...
7309 @end example
7310
7311 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7312
7313 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7314 that deal with scalar products, for example:
7315
7316 @example
7317 ex swap_sprod(ex p)
7318 @{
7319     if (is_a<sprod>(p)) @{
7320         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7321         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7322     @} else
7323         return p;
7324 @}
7325
7326 ...
7327     f = swap_sprod(e);
7328      // f is now <b|a>
7329 ...
7330 @end example
7331
7332 @subsection Structure output
7333
7334 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7335 desired, most notably proper output:
7336
7337 @example
7338 ...
7339     cout << e << endl;
7340      // -> [structure object]
7341 ...
7342 @end example
7343
7344 By default, any structure types you define will be printed as
7345 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7346 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7347 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7348 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7349 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7350 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7351
7352 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7353 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7354
7355 @example
7356 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7357 @{
7358     // tree debug output handled by superclass
7359     if (is_a<print_tree>(c))
7360         inherited::print(c, level);
7361
7362     // get the contained sprod_s object
7363     const sprod_s & sp = get_struct();
7364
7365     // print_context::s is a reference to an ostream
7366     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7367 @}
7368 @end example
7369
7370 Now we can print expressions containing scalar products:
7371
7372 @example
7373 ...
7374     cout << e << endl;
7375      // -> <a|b>
7376     cout << swap_sprod(e) << endl;
7377      // -> <b|a>
7378 ...
7379 @end example
7380
7381 @subsection Comparing structures
7382
7383 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7384 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7385 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7386 and undesired behavior:
7387
7388 @example
7389 ...
7390     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7391      // -> 0
7392     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7393      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7394 ...
7395 @end example
7396
7397 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7398 for objects of type @code{sprod_s}:
7399
7400 @example
7401 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7402 @{
7403     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7404 @}
7405
7406 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7407 @{
7408     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7409            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7410 @}
7411 @end example
7412
7413 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7414 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7415 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7416 in the implementation of these operators because they would construct
7417 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7418 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7419 decide which one is algebraically 'less').
7420
7421 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7422 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7423
7424 @example
7425 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7426 @end example
7427
7428 @code{sprod} objects then behave as expected:
7429
7430 @example
7431 ...
7432     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7433      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7434     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7435      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7436     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7437      // -> 0
7438     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7439      // -> 2*<a|b>
7440 ...
7441 @end example
7442
7443 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7444 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7445 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7446 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7447 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7448 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7449
7450 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7451 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7452 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7453 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7454 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7455 undefined value) that the @code{T} class might have.
7456
7457 @subsection Subexpressions
7458
7459 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7460 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7461 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7462
7463 @example
7464 size_t sprod::nops() const
7465 @{
7466     return 2;
7467 @}
7468
7469 ex sprod::op(size_t i) const
7470 @{
7471     switch (i) @{
7472     case 0:
7473         return get_struct().left;
7474     case 1:
7475         return get_struct().right;
7476     default:
7477         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7478     @}
7479 @}
7480 @end example
7481
7482 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7483 @code{sprod} has two other nice side effects:
7484
7485 @itemize @bullet
7486 @item
7487 @code{has()} works as expected
7488 @item
7489 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7490 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7491 @end itemize
7492
7493 @cindex @code{let_op()}
7494 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7495 allows replacing subexpressions:
7496
7497 @example
7498 ex & sprod::let_op(size_t i)
7499 @{
7500     // every non-const member function must call this
7501     ensure_if_modifiable();
7502
7503     switch (i) @{
7504     case 0:
7505         return get_struct().left;
7506     case 1:
7507         return get_struct().right;
7508     default:
7509         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7510     @}
7511 @}
7512 @end example
7513
7514 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7515 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7516 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7517 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7518
7519 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7520 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7521 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7522 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7523 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7524 This is left as an exercise for the reader.
7525
7526 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7527 you can override by specialization to customize the behavior of your
7528 structures. You are referred to the next section for a description of
7529 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7530 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7531 @code{structure<T>} template: archiving.
7532
7533 @subsection Archiving structures
7534
7535 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7536 should first read the next section and then come back here. You're back?
7537 Good.
7538
7539 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7540 specializations for the @code{archive()} member function and the
7541 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7542 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7543 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7544 the class of an object is stored as a string, the class name.
7545
7546 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7547 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7548 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7549 need to provide a different name for each by specializing the
7550 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7551 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7552
7553 @example
7554 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7555
7556 void sprod::archive(archive_node & n) const
7557 @{
7558     inherited::archive(n);
7559     n.add_ex("left", get_struct().left);
7560     n.add_ex("right", get_struct().right);
7561 @}
7562
7563 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7564 @{
7565     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7566     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7567 @}
7568 @end example
7569
7570 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7571 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7572 @code{sprod::unarchive()} function.
7573
7574
7575 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7576 @c    node-name, next, previous, up
7577 @section Adding classes
7578
7579 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7580 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7581 severe of which being that you can't add any new member functions to
7582 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7583 from scratch.
7584
7585 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7586 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7587 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7588 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7589 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7590 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7591 representing tensor products is more involved but this section should give
7592 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7593 classes if you want to implement something more complicated.
7594
7595 @subsection GiNaC's run-time type information system
7596
7597 @cindex hierarchy of classes
7598 @cindex RTTI
7599 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7600 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7601 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7602 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7603 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7604 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7605 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7606 system that provides this kind of information is called a run-time type
7607 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7608 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7609 implements its own, simpler RTTI.
7610
7611 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7612
7613 @itemize @bullet
7614
7615 @item
7616 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7617 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7618 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7619 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7620
7621 @item
7622 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7623 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7624 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7625 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7626 @file{registrar.h} header file.
7627
7628 @end itemize
7629
7630 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7631 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7632 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7633 macros.
7634
7635 @subsection A minimalistic example
7636
7637 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7638 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7639 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7640 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7641 for your own classes.
7642
7643 The code snippets given here assume that you have included some header files
7644 as follows:
7645
7646 @example
7647 #include <iostream>
7648 #include <string>   
7649 #include <stdexcept>
7650 using namespace std;
7651
7652 #include <ginac/ginac.h>
7653 using namespace GiNaC;
7654 @end example
7655
7656 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7657 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7658 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7659 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7660 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7661 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7662
7663 @example
7664 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7665 @end example
7666
7667 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7668 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7669 object from a C or C++ string:
7670
7671 @example
7672 class mystring : public basic
7673 @{
7674     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7675   
7676 public:
7677     mystring(const string &s);
7678     mystring(const char *s);
7679
7680 private:
7681     string str;
7682 @};
7683
7684 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7685 @end example
7686
7687 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7688 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7689 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7690 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7691 the first line after the opening brace of the class definition. The
7692 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7693 source (at global scope, of course, not inside a function).
7694
7695 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7696 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7697 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7698 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7699 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7700 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7701 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7702 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7703
7704 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7705 class:
7706
7707 @itemize
7708
7709 @item
7710 @code{mystring()}, the default constructor.
7711
7712 @item
7713 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7714 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7715 @code{archive_node}.
7716
7717 @item
7718 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7719 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7720 found in an @code{archive_node}.
7721
7722 @item
7723 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7724 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7725 constructor.
7726
7727 @item
7728 @cindex @code{compare_same_type()}
7729 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7730 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7731 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7732 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7733 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7734 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7735 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7736 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7737 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7738 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7739 defined.
7740
7741 @item
7742 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7743 which are the two constructors we declared.
7744
7745 @end itemize
7746
7747 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7748
7749 @example
7750 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7751 @end example
7752
7753 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7754 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7755 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7756 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7757 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7758 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7759 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7760 to the right value manually.
7761
7762 In the default constructor you should set all other member variables to
7763 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7764 member gets set to an empty string automatically).
7765
7766 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7767 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7768 is really simple.  First, the archiving function:
7769
7770 @example
7771 void mystring::archive(archive_node &n) const
7772 @{
7773     inherited::archive(n);
7774     n.add_string("string", str);
7775 @}
7776 @end example
7777
7778 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7779 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7780 deem necessary for representing the object into the passed
7781 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7782 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7783 file.
7784
7785 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7786 function:
7787
7788 @example
7789 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7790 @{
7791     n.find_string("string", str);
7792 @}
7793 @end example
7794
7795 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7796 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7797 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7798 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7799
7800 Finally, the unarchiving function:
7801
7802 @example
7803 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7804 @{
7805     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7806 @}
7807 @end example
7808
7809 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7810 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7811 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7812 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7813 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7814 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7815 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7816 automatically once it is no longer referenced.
7817
7818 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7819 the string members:
7820
7821 @example
7822 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7823 @{
7824     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7825     int cmpval = str.compare(o.str);
7826     if (cmpval == 0)
7827         return 0;
7828     else if (cmpval < 0)
7829         return -1;
7830     else
7831         return 1;
7832 @}
7833 @end example
7834
7835 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7836 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7837 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7838 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7839 all relevant member variables.
7840
7841 Now the only thing missing is our two new constructors:
7842
7843 @example
7844 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7845 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7846 @end example
7847
7848 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7849 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7850
7851 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7852 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7853
7854 @example
7855 ex e = mystring("Hello, world!");
7856 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7857  // -> 1 (true)
7858
7859 cout << e.bp->class_name() << endl;
7860  // -> mystring
7861 @end example
7862
7863 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7864
7865 @example
7866 cout << e << endl;
7867  // -> [mystring object]
7868 @end example
7869
7870 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7871 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7872 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7873 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7874 surrounded by double quotes:
7875
7876 @example
7877 class mystring : public basic
7878 @{
7879     ...
7880 protected:
7881     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7882     ...
7883 @};
7884
7885 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7886 @{
7887     // print_context::s is a reference to an ostream
7888     c.s << '\"' << str << '\"';
7889 @}
7890 @end example
7891
7892 The @code{level} argument is only required for container classes to
7893 correctly parenthesize the output.
7894
7895 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7896 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7897 replace the line
7898
7899 @example
7900 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7901 @end example
7902
7903 with
7904
7905 @example
7906 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7907   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7908 @end example
7909
7910 Let's try again to print the expression:
7911
7912 @example
7913 cout << e << endl;
7914  // -> "Hello, world!"
7915 @end example
7916
7917 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7918 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7919 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7920 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7921 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7922 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7923 way expression output is implemented in GiNaC.
7924
7925 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7926
7927 @example
7928 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7929 cout << e << endl;
7930  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7931 @end example
7932
7933 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7934
7935 @example
7936 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7937 cout << e << endl;
7938  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7939 @end example
7940
7941 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7942 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7943 for your objects.
7944
7945 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7946
7947 @example
7948 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7949 cout << e << endl;
7950  // -> "Wow"^2
7951
7952 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7953 cout << e.expand() << endl;
7954  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7955 @end example
7956
7957 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7958 concatenation. You would have to implement this yourself.
7959
7960 @subsection Automatic evaluation
7961
7962 @cindex evaluation
7963 @cindex @code{eval()}
7964 @cindex @code{hold()}
7965 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7966 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7967 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7968 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7969 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7970 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7971
7972 @example
7973 class mystring : public basic
7974 @{
7975     ...
7976 public:
7977     ex eval(int level = 0) const;
7978     ...
7979 @};
7980
7981 ex mystring::eval(int level) const
7982 @{
7983     string new_str;
7984     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7985         char c = str[i];
7986         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7987             new_str += tolower(c);
7988         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7989             new_str += c;
7990     @}
7991
7992     if (new_str.length() == 0)
7993         return 0;
7994     else
7995         return mystring(new_str).hold();
7996 @}
7997 @end example
7998
7999 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8000 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8001 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8002 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8003 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8004 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8005 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8006 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8007
8008 Let's confirm that it works:
8009
8010 @example
8011 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8012 cout << e << endl;
8013  // -> "helloworld"
8014
8015 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8016 cout << e << endl;
8017  // -> 3*"wow"
8018 @end example
8019
8020 @subsection Optional member functions
8021
8022 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8023 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8024 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8025
8026 @cindex @code{calchash()}
8027 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8028 @example
8029 unsigned calchash() const;
8030 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8031 @end example
8032
8033 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8034 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8035 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8036 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8037 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8038 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8039
8040 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8041 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8042 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8043 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8044
8045 @subsection Other member functions
8046
8047 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8048 might want to provide:
8049
8050 @example
8051 bool info(unsigned inf) const;
8052 ex evalf(int level = 0) const;
8053 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8054 ex derivative(const symbol & s) const;
8055 @end example
8056
8057 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8058 previous section) you will probably want to override
8059
8060 @cindex @code{let_op()}
8061 @example
8062 size_t nops() cont;
8063 ex op(size_t i) const;
8064 ex & let_op(size_t i);
8065 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8066 ex map(map_function & f) const;
8067 @end example
8068
8069 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8070 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8071 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8072
8073 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8074 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8075 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8076 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8077 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8078 should become a need.
8079
8080 That's it. May the source be with you!
8081
8082
8083 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8084 @c    node-name, next, previous, up
8085 @chapter A Comparison With Other CAS
8086 @cindex advocacy
8087
8088 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8089 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8090 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8091 disadvantages over these systems.
8092
8093 @menu
8094 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8095 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8096 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8097 @end menu
8098
8099 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8100 @c    node-name, next, previous, up
8101 @section Advantages
8102
8103 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8104 Algebra Systems, like 
8105
8106 @itemize @bullet
8107
8108 @item
8109 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8110 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8111 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8112 in common C++, which is standardized.
8113
8114 @cindex STL
8115 @item
8116 structured data types: you can build up structured data types using
8117 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8118 using unnamed lists of lists of lists.
8119
8120 @item
8121 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8122 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8123 nice for novice programmers, but dangerous.
8124     
8125 @item
8126 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8127 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8128 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8129
8130 @item
8131 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8132 separating interface and implementation.
8133
8134 @item
8135 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8136 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8137 C++-compilers for free, too.
8138     
8139 @item
8140 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8141 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8142 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8143 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8144 fix bugs in a traditional system.
8145
8146 @item
8147 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8148 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8149 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8150 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8151 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8152 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8153 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8154 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8155 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8156 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8157 FTP-site.
8158
8159 @item
8160 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8161 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8162 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8163 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8164 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8165 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8166 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8167 system (i.e. @emph{Yacas}).
8168
8169 @item
8170 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8171 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8172 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8173 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8174 speed with other CAS.
8175
8176 @end itemize
8177
8178
8179 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8180 @c    node-name, next, previous, up
8181 @section Disadvantages
8182
8183 Of course it also has some disadvantages:
8184
8185 @itemize @bullet
8186
8187 @item
8188 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8189 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8190 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8191 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8192 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8193 not planned for the near future).
8194
8195 @item
8196 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8197 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8198 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8199 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8200 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8201 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8202 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8203 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8204 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8205 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8206 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8207 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8208 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8209 yet ANSI compliant, support all needed features.
8210     
8211 @end itemize
8212
8213
8214 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8215 @c    node-name, next, previous, up
8216 @section Why C++?
8217
8218 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8219 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8220 possible), separation between interface and implementation is not
8221 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8222 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8223 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8224 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8225 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8226 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8227 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8228 any other programming language.
8229
8230
8231 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8232 @c    node-name, next, previous, up
8233 @appendix Internal Structures
8234
8235 @menu
8236 * Expressions are reference counted::
8237 * Internal representation of products and sums::
8238 @end menu
8239
8240 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8241 @c    node-name, next, previous, up
8242 @appendixsection Expressions are reference counted
8243
8244 @cindex reference counting
8245 @cindex copy-on-write
8246 @cindex garbage collection
8247 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8248 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8249 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8250 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8251 skip the rest of this passage.
8252
8253 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8254 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8255 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8256 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8257 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8258 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8259 of code:
8260
8261 @example
8262 #include <iostream>
8263 #include <ginac/ginac.h>
8264 using namespace std;
8265 using namespace GiNaC;
8266
8267 int main()
8268 @{
8269     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8270     ex e1, e2;
8271
8272     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8273     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8274     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8275     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8276     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8277 @}
8278 @end example
8279
8280 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8281 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8282 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8283 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8284 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8285 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8286 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8287 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8288 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8289 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8290 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8291 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8292 can be:
8293
8294 @example
8295 @{
8296     symbol x("x"), y("y");
8297
8298     ex e1 = x + 3*y;
8299     ex e2 = pow(e1, 3);
8300     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8301     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8302          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8303          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8304 @}
8305 @end example
8306
8307 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8308 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8309 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8310 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8311 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8312 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8313 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8314 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8315 @code{3*e1^2}.
8316
8317 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8318 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8319 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8320 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8321 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8322 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8323 semantics, we recommend you have a look at the
8324 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8325 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8326 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8327
8328
8329 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8330 @c    node-name, next, previous, up
8331 @appendixsection Internal representation of products and sums
8332
8333 @cindex representation
8334 @cindex @code{add}
8335 @cindex @code{mul}
8336 @cindex @code{power}
8337 Although it should be completely transparent for the user of
8338 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8339 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8340 unexpanded symbolic expression 
8341 @tex
8342 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8343 @end tex
8344 @ifnottex
8345 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8346 @end ifnottex
8347 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8348 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8349 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8350 fashion:
8351
8352 @image{repnaive}
8353
8354 @cindex pair-wise representation
8355 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8356 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8357 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8358 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8359 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8360 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8361 becomes much more flat:
8362
8363 @image{reppair}
8364
8365 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8366 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8367 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8368 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8369 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8370 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8371 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8372 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8373 representation, however, since they are still carrying a trivial
8374 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8375 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8376 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8377 representation for
8378 @tex
8379 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8380 @end tex
8381 @ifnottex
8382 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8383 @end ifnottex
8384
8385 @image{repreal}
8386
8387 @cindex radical
8388 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8389 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8390 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8391 same abstract class: the data representation is the same, only the
8392 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8393 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8394 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8395
8396
8397 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8398 @c    node-name, next, previous, up
8399 @appendix Package Tools
8400
8401 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8402 setting the correct command line options for the compiler and linker
8403 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8404
8405 @menu
8406 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8407 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8408 @end menu
8409
8410
8411 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8412 @c    node-name, next, previous, up
8413 @section @command{ginac-config}
8414 @cindex ginac-config
8415
8416 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8417 the compiler and linker command line options required to compile and
8418 link a program with the GiNaC library.
8419
8420 @command{ginac-config} takes the following flags:
8421
8422 @table @samp
8423 @item --version
8424 Prints out the version of GiNaC installed.
8425 @item --cppflags
8426 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8427 @item --libs
8428 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8429 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8430 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8431 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8432 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8433 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8434 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8435 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8436 @end table
8437
8438 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8439 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8440 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8441 example:
8442
8443 @example
8444 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8445 @end example
8446
8447 This command line might expand to (for example):
8448
8449 @example
8450 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8451   -lginac -lcln -lstdc++
8452 @end example
8453
8454 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8455 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8456
8457
8458 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8459 @c    node-name, next, previous, up
8460 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8461 @cindex AM_PATH_GINAC
8462
8463 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8464 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8465
8466 @example
8467 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8468               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8469 @end example
8470
8471 This macro:
8472
8473 @itemize @bullet
8474
8475 @item
8476 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8477 either found in the user's path, or from the environment variable
8478 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8479
8480 @item
8481 Tests the installed libraries to make sure that their version
8482 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8483 if not specified)
8484
8485 @item
8486 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8487 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8488 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8489 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8490 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8491
8492 @item
8493 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8494 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8495
8496 @end itemize
8497
8498 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8499 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8500 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8501 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8502 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8503
8504 @menu
8505 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8506 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8507 @end menu
8508
8509
8510 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8511 @c    node-name, next, previous, up
8512 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8513
8514 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8515 the configure script.
8516
8517 Notes:
8518
8519 @itemize @bullet
8520
8521 @item
8522 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8523 to be found by your system's dynamic linker.
8524   
8525 This is generally done by
8526
8527 @display
8528 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8529 @end display
8530
8531 or by
8532    
8533 @display
8534 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8535 @end display
8536
8537 or, as a last resort, 
8538  
8539 @display
8540 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8541 running configure, for instance:
8542
8543 @example
8544 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8545 @end example
8546 @end display
8547
8548 @item
8549 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8550 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8551 name of the executable
8552
8553 @item
8554 If you move the GiNaC package from its installed location,
8555 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8556 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8557
8558 @end itemize
8559
8560 Advanced note:
8561
8562 @itemize @bullet
8563 @item
8564 configure flags
8565   
8566 @example
8567 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8568 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8569 @end example
8570
8571 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8572 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8573 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8574 @end itemize
8575
8576
8577 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8578 @c    node-name, next, previous, up
8579 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8580
8581 The following shows how to build a simple package using automake
8582 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8583
8584 @example
8585 #include <iostream>
8586 #include <ginac/ginac.h>
8587
8588 int main()
8589 @{
8590     GiNaC::symbol x("x");
8591     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8592     std::cout << "Derivative of " << a 
8593               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8594     return 0;
8595 @}
8596 @end example
8597
8598 You should first read the introductory portions of the automake
8599 Manual, if you are not already familiar with it.
8600
8601 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8602 configure script:
8603
8604 @example
8605 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8606 AC_INIT(simple.cpp)
8607 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8608
8609 AC_PROG_CXX
8610 AC_PROG_INSTALL
8611 AC_LANG_CPLUSPLUS
8612
8613 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8614   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8615   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8616 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8617
8618 AC_OUTPUT(Makefile)
8619 @end example
8620
8621 The only command in this which is not standard for automake
8622 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8623
8624 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8625 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8626 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8627 the error message `need to have GiNaC installed'
8628
8629 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8630
8631 @example
8632 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8633 bin_PROGRAMS = simple
8634 simple_SOURCES = simple.cpp
8635 @end example
8636
8637 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8638 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8639 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8640 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8641 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8642 adding the lines:
8643
8644 @example
8645 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8646 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8647 @end example
8648
8649 to the @file{Makefile.am}.
8650
8651 To try this example out, create a new directory and add the three
8652 files above to it.
8653
8654 Now execute the following commands:
8655
8656 @example
8657 $ automake --add-missing
8658 $ aclocal
8659 $ autoconf
8660 @end example
8661
8662 You now have a package that can be built in the normal fashion
8663
8664 @example
8665 $ ./configure
8666 $ make
8667 $ make install
8668 @end example
8669
8670
8671 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8672 @c    node-name, next, previous, up
8673 @appendix Bibliography
8674
8675 @itemize @minus{}
8676
8677 @item
8678 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8679
8680 @item
8681 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8682
8683 @item
8684 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8685
8686 @item
8687 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8688
8689 @item
8690 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8691 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8692
8693 @item
8694 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8695 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8696 Academic Press, London
8697
8698 @item
8699 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8700 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8701
8702 @item
8703 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8704 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8705
8706 @item
8707 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8708 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8709
8710 @item
8711 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8712
8713 @end itemize
8714
8715
8716 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8717 @c    node-name, next, previous, up
8718 @unnumbered Concept Index
8719
8720 @printindex cp
8721
8722 @bye